Die Sensoren sind nicht nur extrem widerstandsfähig, sondern können auch seismische Aktivitätsdaten über große Entfernungen von bis zu 20 Kilometern in Ballungsräumen übertragen. Diese Daten lassen sich zudem auf jedem internetfähigen Gerät abrufen. Kurz gesagt: Der patentierte Sensor ermöglicht die Erdbebenerkennung und -warnung mit einem kostengünstigen, energiesparenden und wetterfesten System.
Mit dem Ziel, die Erdbebenüberwachungssysteme zu verbessern und damit die Informationen, die der Öffentlichkeit und den zuständigen Behörden über das seismische Risiko, dem sie zu jeder Zeit und an jedem Ort ausgesetzt sind, zur Verfügung gestellt werden, zu verbessern, haben Forscher von UPM und IMDEA Materials, Experten für Sensordesign, einen neuartigen seismischen Sensor auf Basis des triboelektrischen Effekts hergestellt und getestet.
Konkret testeten Forscher – unter der Leitung von José Sánchez del Río von der Forschungsgruppe für fortgeschrittene Strukturmaterialien und Nanomaterialien der UPM – in Zusammenarbeit mit dem seismischen Datendienst des IGN am CEDEX den Zusammenhang zwischen Schwingungsmessungen, die mit dem neuen, auf einem triaxialen Schwingtisch platzierten Sensor gewonnen wurden, und den Messungen der im nationalen seismischen Sensornetzwerk des IGN üblicherweise verwendeten MEMS-Sensoren (mikroelektromechanische Systeme). Die Ergebnisse zeigten eine hohe Übereinstimmung der beiden Signale und belegten damit die Nützlichkeit des neuen Sensors.
Die Hauptkomponenten des neuen seismischen Sensors sind triboelektrische Wandler. Diese Wandler werden im IMDEA-Materiallabor unter der Leitung von Forscher De-Yi Wang hergestellt. Sie bestehen aus zwei Schichten polymeren Materials, deren Elektronegativität durch verschiedene chemische Behandlungen entgegengesetzt ist. Beim Kontakt dieser Schichten wird ohne externe Stromquelle eine Hochspannung erzeugt. Aufgrund dieser Eigenschaft werden diese Sensoren auch als triboelektrische Nanogeneratoren (TENGS) bezeichnet.
a) Funktionsprinzip des TENG und des seismischen Sensors. b) Durch Vibration erzeugte Signale. c) TENGs und MEMS auf dem CEDEX-Prüfstand. Quelle: UPM.
Der seismische Sensor verfügt über eine oberhalb des triboelektrischen Wandlers positionierte Trägheitsmasse, die die Erfassung von Vibrationen entlang der Z-Achse ermöglicht. Das Department für Industrielle Konstruktion der Fakultät für Ingenieurwesen und Industriedesign der Polytechnischen Universität Madrid (ETSIDI-UPM) unter der Leitung von Francisco Santos Olalla und Rafael Cascón Porres ist zusammen mit der Studentin Alba López Laguna für die mechanische Konstruktion zur 3D-Erfassung verantwortlich. Die neuen seismischen Sensoren können zudem Vibrationen mit sehr geringer Amplitude (5 mg) und hoher Frequenz (300 Hz) erfassen. José Sánchez del Río sowie David Patrizi und Álvaro Merodio, ebenfalls ETSIDI-Studenten, haben nachgewiesen, dass die Vibrationssignale über große Entfernungen übertragen und online über das Internet der Dinge (IoT) visualisiert werden können.
Zusammenfassend lässt sich laut Forscher José Sánchez del Río sagen: „Dieser neue seismische Sensor kann zur Erkennung von Erdbeben und zur Warnung vor Gefahren eingesetzt werden. Er basiert auf einem sehr kostengünstigen, energiesparenden und robusten System. Zu den potenziellen Nutzern zählen Großkonzerne, kleine und mittlere Unternehmen, interessierte Privatpersonen sowie die Verantwortlichen nationaler Erdbebenwarnsysteme.“
J. Sánchez del Río, A. Yusuf, Xiang Ao, I. Astarloa Olaizola, L. Urbelz López-Puertas,, MY. Ballesteros, R. Giannetti, V. Martínez, JL Jiménez, JB Bravo Monge, Xiaosui Chen, De-Yi Wang. Hochauflösendes TENGS zur Erdbewegungserkennung bei Erdbeben, Nano Energy, 102, November 2022. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107666
Dieses Ergebnis wurde beim spanischen Patent- und Markenamt patentiert: Ein seismisches Detektionssystem.
https://www.upm.es/recursosidi/offers-resources/patentes/un-sistema-de-deteccion-sismico/?_sf_s=sísmico&_sft_product_cat=patentes&sort_order=date desc
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