Спасение утопающих — дело рук самих утопающих. Спасение леса от пожара – дело рук… или веток? Или стволов? В общем, самих деревьев. Есть ещё, конечно, животные и птицы. Но у них и так забот полно. А деревья стоят себе и стоят. Так почему бы им не заняться предупреждением о начинающихся лесных пожарах?
Только в США пожары ежегодно в среднем уничтожают 17 тысяч квадратных километров лесов (а это, между прочим, 0,18% территории страны). Уже стало традицией, что каждое лето горит американский штат Калифорния. А в 2002 году к нему присоединились Аризона, Калифорния, Колорадо и Орегон.
Европейские страны также страдают от массовых возгораний лесных массивов. От бесчисленных пожаров гибнут не только деревья и обитатели лесов, но и жители близлежащих городов, дома которых оказываются окружены пламенем. Сложно оценить, какие потери несёт человечество в целом, когда выгорают лёгкие планеты, не говоря уже о последствиях таких катастроф.
Именно поэтому в некоторых странах мира до сих пор существуют люди, главной задачей которых является выявление очагов начинающихся пожаров, а на предупреждение и борьбу с пожарами тратятся миллионы долларов ежегодно.
Упрощённая схема работы накопительной батареи единичного сенсора (иллюстрация Rebecca Macri).
Конечно, человечество (особенно наиболее цивилизованная его часть) уже давно создаёт системы обнаружения и тушения лесных пожаров.
Например, существует система MODIS Rapid Response System, разработанная NASA и снимающая изображения Земли в различных спектрах. Она позволяет определять очаги возгорания и другие начинающиеся природные катаклизмы.
Федеральное лесное управление США (U.S. Forest Service) также использует систему удалённых автоматических метеостанций. Но они в большинстве своём либо сложны и, как следствие, стоят больших денег, либо мало распространены.
В то же время дополнительные дешёвые сенсоры могли бы частично решить проблему. Они спасли бы деревья, своевременно снимая показатели с определённой территории вокруг себя и выдавая предупреждения о надвигающейся угрозе, гласит пресс-релиз Массачусетского технологического института (MIT).
Существует только одна проблема: всем им будут необходимы источники питания, а их замена/перезарядка требует много времени, денег и сил, особенно в труднопроходимых местах.
Необходимо оптимизировать работу системы сенсоров для уменьшения потребления энергии. Этим занимаются не только химики, но и программисты (иллюстрация Rebecca Macri).
Американские исследователи придумали, как решить эту проблему, и взялись за создание батареек, которые бы никогда не разряжались.
Группа учёных, возглавляемая Шугуаном Чжаном (Shuguang Zhang), помощником директора Центра биоинженерии MIT (Center for Biomedical Engineering), решила, что для этих целей вполне подойдёт электричество, которое могут вырабатывать деревья.
Чжан работает в сотрудничестве с постдоком Андреасом Мершиным (Andreas Mershin) и Кристофером Лавом (Christopher Love), которые уже много лет занимаются созданием различных химических датчиков и и биоэлектронных устройств, изучением клеточных процессов.
Сенсоры, передающие с помощью беспроводных сетей данные о температуре и влажности вокруг себя, можно запитать от стандартных батарей, решили они. Батареи в свою очередь будут медленно подзаряжаться за счёт естественных природных процессов.
Были использованы одинаковые платиновые электроды, подсоединённые к вольтметру. Солевой мостик использовался для замыкания цепи через почву-корни. На врезке справа показаны процессы, происходящие внутри ствола дерева: напряжение частично зависит от дзета-потенциала (разницы потенциалов, определяемой разницей токов соков дерева у стенок и ближе к центру ствола) (иллюстрация MIT).
Учёные считают, что в обычных условиях будет достаточно передавать сигнал около четырёх раз в день, а в случае возникновения пожара — мгновенно.
Каждый сенсор будет отправлять свои показатели другому. Так, по цепочке, все данные попадут на уже существующую метеостанцию, которая пошлёт их на спутник. С него вся информация поступит в командный центр в Бойсе, Айдахо.
Конечно, одно дерево производит в единицу времени не слишком много энергии, но постепенно она будет накапливаться в достаточном размере, так же как ведро воды набирается даже из медленно капающего крана.
Физическое явление, которое стоит за этим процессом, описать достаточно просто. Между ксилемой дерева и землёй, на которой оно растёт, существует разница потенциалов, она образуется из-за разных значений кислотности (pH) почвы и ствола.
Здесь показаны графики зависимости напряжения от времени: видно, что уж через 30-40 минут наступает насыщение, а показатели очень близки по значению (иллюстрация MIT).
В своих опытах с фикусом Бенджамина (Ficus benjamina) учёные не обнаружили зависимости напряжения от времени дня, освещения, тока сока, высоты положения электрода или ионного состава почвы. Наоборот, полярность и величина напряжения зависели от разницы в кислотности между ксилемой и почвой, пишут авторы открытия в своей статье, вышедшей в журнале PLoS ONE.
Мершин отмечает, что накопительная батарея и соответствующие сенсоры уже готовы. Все части системы легко установит даже неквалифицированный рабочий.
"Мы ожидаем, что достаточно будет снабдить сенсором всего лишь одно дерево на тысячу квадратных метров", — говорит он.
Варьирование pH и ионного состава почвы (моделировался в чашке Петри при помощи растворов различных солей) (иллюстрация MIT).
Созданием беспроводных сетей занялась компания Voltree Power (Мершин и Лав являются её совладельцами). Точнее, она уже занималась подобными разработками, а сейчас адаптировала свой продукт под нужды данного проекта.
Кристофер Лав тестирует разработку на фикусе (фото Christopher Huang).
На сайте компании присутствует следующее описание: наш конвертер энергии, интегрированный в блок питания сенсора, не подвержен влиянию ветра, света, температурных изменений или какому-либо механическому воздействию. Своего рода паразит, он может жить на дереве и при этом не мешать ему развиваться и расти. Его срок службы ограничен лишь временем жизни дерева-хозяина. При этом работает он тихо и не нагревается.
Первые тесты разработки MIT начнутся весной 2009 года на участке земли площадью в 40 тысяч квадратных метров (его предоставило лесное управление США). Учёные планирует выяснить, как минимизировать потребление энергии сенсорами, изменяя конфигурацию системы.
Чжан и его команда мечтают о том, что со временем такая распределённая система сенсоров сможет передавать любые данные, необходимые учёным и властям. Они приводят такой пример применения своей разработки: система сенсоров, расположившихся на деревьях близ границы, может предупреждать о контрабандном провозе радиоактивных материалов.
Может, они и преувеличивают, но уже борьба с пожарами (в случае стабильной работы системы) стала бы значительным достижением для создателей.