В коммуникационных технологиях, навигации, медицине, нефтегазовой промышленности и даже в космосе для передачи больших объемов информации на дальние расстояния используют оптоволокно. Качество передаваемого сигнала напрямую зависит от наконечника, который механически выравнивает и соединяет концы кварцевых волокон между собой. Его можно встретить, когда подключается кабель с интернет-соединением к компьютеру или любому другому устройству. Оптоволокно должно быть хорошо зафиксировано в наконечнике, чтобы не допустить затухания сигнала и потери информации. Ученые ПНИПУ разработали эффективный способ его крепления в нужном положении с помощью гидрогеля из плавленого кварца и щелочи. Технология обеспечит надежное соединение волоконных линий и лучшую передачу светового сигнала.

Статья с результатами исследования опубликована в журнале «GLASS AND CERAMICS», 2024 год. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Оптический соединитель – это устройство, в наконечник которого вклеено оптоволокно. Он позволяет быстро подключать и разъединять волоконные линии между собой и с различными устройствами. Качество их соединения напрямую зависит от метода, который используется для сцепления наконечника с оптическим волокном. Важно не допустить между ними зазора, иначе могут возникнуть потери сигнала и ошибки в передаче информации.

В основном наконечники соединителей изготавливают из плавленого кварца (кремнезема) благодаря его высокой химической и механической стойкости. Его используют в работе оптоволокна при повышенных температурах вплоть до 300 °C. Полимерные клеи применять при таких температурах становится невозможным. Кварцевые детали также можно соединять с помощью лазерной сварки, но такое соединение затруднительно при массовом производстве и не гарантирует плотного крепления по всей окружности контакта.

Поэтому сейчас изучаются различные способы соединения волоконных линий и наконечника с использованием химических составов, стабильных при высоких температурах. Ученые Пермского Политеха разработали уникальную технологию получения гидрогеля, который прочно фиксирует оптическое волокно внутри отверстия наконечника.

– Сам соединитель и оптоволокно сделаны из плавленого кремнезема (кварца). Вступая в реакцию с гидроксидом натрия (щелочью), он образует полисиликат натрия – материал, который склонен к гелеобразованию и обладает связующими свойствами. При нагревании он расширяется и закрепляет оптическое волокно в нужном положении. Благодаря такому взаимодействию щелочи с поверхностями деталей мы получили фиксирующий гидрогель, – поясняет научный сотрудник лаборатории рационального природопользования и природоподобных технологий ПНИПУ, кандидат технических наук Марина Красновских.

Для проверки метода на практике политехники наносили 0,1 М раствор гидроксида натрия на соединитель со вставленным в него оптическим волокном. После заполнения зазора между деталями изделие помещали в термостат при температуре 90°C на один день, а затем подвергали термообработке при 250°C в течение 15 минут. Это привело к образованию непрерывной ячеистой структуры, которая прочно закрепила оптическое волокно в наконечнике.

Полученный учеными Пермского Политеха гидрогель эффективно фиксирует оптоволокно в наконечнике в необходимом положении. Разработанный метод крепления обеспечивает надежное соединение и не допускает потерю сигнала при использовании оптоволокна в различных областях промышленности.

Международная команда исследователей применила стандартный оптоволоконный кабель, активировав дополнительные спектральные диапазоны, которые обычно не задействованы в процессе передачи данных. Исследователи разработали новые виды усилителей и эквалайзеров для корректировки потоков данных, проходящих через кабель.

По мнению ученых, такой подход позволит значительно увеличить скорость передачи данных по уже существующим оптоволоконным магистралям, что снизит необходимость в затратах на производство и прокладку новых линий связи.

Теоретически мы можем использовать лазерные двигатели для коррекции орбиты или даже полноценного движения в космическом пространстве различных аппаратов — микро- и наноспутников. Для этого нужно заменить воду в качестве рабочего тела на газ — например, водород. Тогда, генерируя частые лазерные импульсы, можно будет вызывать образование плазмы, которая станет нагревать рабочее тело, заставлять его расширяться и выходить наружу, приводя аппарат в движение. С этой точки зрения предложенная китайскими коллегами идея имеет потенциал для исследования.

— Булат Зиганшин. Специалист по ракетным двигателям и ракетостроению, сотрудник отдела интеллектуальной собственности Казанского национального исследовательского университета.

Исследование китайских ученых, о котором идет речь, опубликовано в научном журнале Acta Optica Sinica. Команда под руководством Гэ Яня, доцента Школы механики и электротехники Харбинского инженерного университета в провинции Хэйлунцзян, предложила обшивать корпусы подводных лодок оптоволокном и пропускать через него лазерные импульсы. Согласно теории ученых, из-за этого вокруг лодки будут образовываться полости, заполненные перегретым водяным паром, а коэффициент сопротивления среды упадет.

Больше новостей об энергетике читайте на сайте журнала Энергия+: https://e-plus.media/news/

Во всем мире стремятся уменьшить габариты изделий из оптоволокна, чтобы можно было располагать их даже в труднодоступных местах, и при этом сохранить их защиту от агрессивных условий, например, погодных или производственных факторов – дождь, влажность, сухость, повышенные температуры и т.д.

Ученые Пермского Политеха провели исследования в два этапа. На первом –изучили поведение стекла во время технического процесса. Этот материал – аморфный, то есть не имеет явного перехода из твёрдого состояния в жидкое. Чаще всего при моделировании учитывают только упругие свойства стекла, но итоговые результаты недостаточно верно отражают его характер в реальности. Политехники предлагают рассчитывать изменение материала с учетом вязкоупругих свойств, что точнее и максимально приближенно к настоящему производству.

— Время и температура в техническом процессе влияют на уровень остаточных технологических напряжений в материале. Чем их больше, тем лучше передача сигнала по оптоволокну, поэтому важно моделировать и отслеживать этот этап изготовления, — поясняет кандидат технических наук, заместитель директора Передовой инженерной школы Анна Каменских.

При этом работа волокна зависит не только от стеклянных составляющих, но и от полимерного покрытия. Его наносят на изделие для защиты от внешних агрессивных воздействий. Поскольку само волокно достаточно тонкое (измеряется микронами), ученые предложили уменьшать толщину покрытия, тем самым минимизировать общие габариты готового изделия.

На втором этапе исследования политехники оценили рабочие характеристики оптоволокна при двухслойном и однослойном полимерном защитном покрытии и разных вариантах его геометрии.

— Мы рассматриваем два возможных направления развития: первое – уменьшение общей толщины покрытия без потери прочностных и защитных характеристик; второе – это переход к однослойному покрытию, также с возможным снижением толщины. Главная задача – уменьшить общий итоговый габарит оптоволокна с увеличением его способности сопротивляться негативным воздействиям и нагрузкам, — комментирует полученные результаты ассистент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ Анастасия Богданова.

— Результаты исследования показали, что при двух слоях с уменьшением общей толщины покрытия возникают проблемы – нижний слой начинает давить на стекло, что в итоге может приводить к сбоям передачи информации. В однослойном полимерном покрытии волокно не теряет свою пропускную способность, при этом покрытие позволяет защитить изделие от внешних воздействий. Такой вариант показал свою эффективность, — дополняет старший преподаватель кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ Ляйсан Сахабутдинова.

Ученые ПНИПУ определили, что переход к однослойным защитным полимерным покрытиям – это эффективный способ уменьшить размеры оптоволокна без потери его качества.  Минимизация толщины повысит надежность и экономичность различных датчиков. Выявление нарушений во время мониторинга состояния зданий, мостов, рабочих механизмов различных конструкций станет более эффективным в труднодоступных местах за счет уменьшения габаритов изделий, что позволит своевременно принимать меры по обеспечению безопасности и требуемой надежности объектов исследования.

Основная проблема существующих преобразователей — в их низком КПД. Цифровой двойник позволяет смоделировать различные параметры работы устройства и за счет этого повысить эффективность.

Благодаря двойнику мы можем получить целый спектр оптимальных настроек системы: электрическую и оптическую мощность, выходное напряжение и ток нагрузки для максимизации КПД преобразователя.

— Алексей Гаркушин. Научный сотрудник кафедры общей физики Пермского политеха.

По словам ученых, с помощью цифрового двойника можно рассчитать рабочие характеристики и срок эксплуатации каждого важного элемента системы. Например, оценить влияние на них влажности и температуры — и перенастроить режим работы.

В перспективе создание цифрового двойника позволит улучшить качество электроснабжения удаленных объектов, а также сократит сроки и затраты на разработку технических решений, связанных с передачей данных и энергии по оптоволоконным линиям.

Больше новостей об энергетике читайте на сайте журнала Энергия+: https://e-plus.media/news/