Pre-Ignition Fire Detection Using Semiconducting Metal Oxide Gas Sensors – Experimental and Chemometric Investigations

Abstract

Aufgrund der unzureichenden Möglichkeiten, die derzeit zur Branddetektion in bemannten Habitaten im All zur Verfügung stehen, beschäftigt sich diese Arbeit mit der Entwicklung einer Alternative zu der gebräuchlichen Partikeldetektion. Durch fehlende Sedimentation in Mikrogravitation, sowie die Agglomeration der Partikel in der erzwungenen Konvektion an Bord, kommt es zu veränderten Anforderungen an die Detektoren, im Vergleich zu terrestrischen Anwendungen. Beispielsweise konnte in einer Experimentreihe die unzureichende Detektion, des auf der Internationalen Raumstation verwendeten optischen Detektors, gegenüber kleiner Partikel, emittiert von erhitzten Raumfahrtwerkstoffen, festgestellt werden. Angesichts des enormen Risikos, das in dem abgeschlossenen Volumen eines Weltraumhabitats von den bei einem Brand entstehenden Gase ausgeht, ist eine schnelle Reaktion, möglicherweise sogar Evakuierung, entscheidend für das Überleben der Besatzung. Zudem führt wiederholte Detektion von Staub und anderen Partikeln zu Fehlalarmen, welche die Alarmbereitschaft der Crew erheblich beeinflussen und kurzzeitige Deaktivierung der Lüftung sowie sorgfältige Protokollierung der Situation nach sich ziehen. Die Problematik könnte sich möglicherweise nach dem Ende der Internationalen Raumstation weiter zuspitzen, da durch die geplanten Missionen zum Mond und Mars planetare Stäube in die Habitate gebracht werden könnten. Die derzeitige Maßnahme, um während der regelmäßigen Reinigungen keine Fehlalarme zu provozieren, ist die simple Abschaltung der Detektoren. Diese Arbeit beschreibt die ersten Schritte in der Entwicklung eines Systems zur Detektion während der Entstehungsphase eines Brandes, vor Entzündung und dem Entstehen einer Flamme. Definiert durch die Zeit als entscheidende Ressource, sowie die Anforderungen an Energieverbrauch, Masse und Volumen, überzeugen miniaturisierte Metalloxid-Halbleitersensoren (SMOX) als Hauptkomponenten des zu entwickelnden Systems. Durch ihre hohe Sensitivität gegenüber flüchtigen organischen Stoffen, welche abhängig von der Temperatur aus Polymeren entweichen, sind die kommerziellen Sensoren SGP40 (Sensirion AG, Schweiz) geeignete Kandidaten. Als Testmaterialien wurden die in der Raumfahrt verwendeten Kunststoffe Polymethylmethacrylat (PMMA), Polydimethylsiloxan (PDMS), Nomex® IIIA und Kapton® gewählt. Erkenntnisse, über aus den Materialien ausgasende Spezies sowie Zersetzungstemperaturen, wurden mittels Gaschromatographie-Massenspektrometrie und thermogravimetrischer Analyse gewonnen. Ein Großteil der Arbeit beschreibt die Entwicklung einer geeigneten Testanlage zur Durchführung der Detektionsexperimente. Um die Anlage auch in zukünftigen Arbeiten möglichst vielseitig verwenden zu können, wurden einige Funktionalitäten (wie beispielsweise automatisierte Lüftung und die Injektion von Analyten) eingerichtet und deren Entwicklung sowie nachfolgende Validierung dokumentiert. In diesem Aufbau, unter Verwendung eines Rohrofens, wurden die Testmaterialien und die Sensorantworten der SGP40 ausgewertet. Durch Modellierung der Betriebstemperatur der Sensoren, unter Verwendung chemometrischer Methoden, konnten gewonnene Modellvorhersagen präzisiert werden. So gelang es mittlere relative Fehler zwischen realen Temperaturen und Vorhersage von 4.74 % für PMMA, 5.52 % für Nomex® IIIA, 14.20 % für PDMS und 14.94 % für Kapton® zu erreichen. Die mittleren absoluten Fehler der Random-Forest-Regression liegen zwischen etwa 3 K und 10 K. Zur Evaluierung des Potenzials des SGP40 eine Gasquelle zu lokalisieren, wurde in der genannten Testanlage eine Machbarkeitsstudie mit PMMA als repräsentativen Werkstoff durchgeführt. Dabei wurde der Rohrofen zwischen drei möglichen Positionen verschoben, und die entstehenden Gase wurden mit 32 im 1 m^3 großen Testvolumen verteilten Sensoren gemessen. Nicht nur konnten mittels dynamischer Zeitnormierung und k-Nächste-Nachbarn-Algorithmus unter Leave-One-Out-Kreuzvalidierung 100 % der Positionen richtig zugeordnet werden, das Experiment lieferte auch wichtige Einblicke in die Bewegungen der Gaswolke und die hierdurch mehr oder weniger geeigneten Sensorpositionen. Durch die in dieser Arbeit gesammelten Informationen wurde die Basis für die Entwicklung eines Systems zur Detektion während der Entstehungsphase eines Brandes geschaffen und entsprechend weitere Schritte konkretisiert. Neben den gewonnenen Erkenntnissen, wurden Hard- und Software für die Testanlage entwickelt und dokumentiert, welche weiterhin für das Projekt der Branddetektion sowie darüber hinaus Anwendung in verschiedenen Bereichen der Gassensorik finden werden.

The issue of insufficient technology for smoke or fire detection in habitable spacecraft was the main motivator for this work. Due to complex shapes, sizes, and movements of particles and agglomerates in microgravity and forced convection, the requirements for detectors differ from terrestrial application. As a consequence, frequent false alarms decrease the alertness of the crew on missions. Regular deactivation of the detection system, as currently practiced during cleaning activities on the International Space Station (ISS), is an unsatisfactory solution. The current detector’s lack of sensitivity toward small particles generated from overheated spacecraft materials, as revealed by experiments, makes innovation all the more necessary. This work documents the first steps in the overall project to develop a suited pre-ignition fire detection system. With the key limitation of time, pre-ignition fire detection is targeted using highly sensitive, small, power-efficient, and fast semiconducting metal oxide (SMOX)-based sensors. As the main component of the detection system, the commercially available sensor SGP40 (Sensirion AG, Switzerland) was chosen and investigated, to address the current issues on the ISS and more crucially, the arising obstacles, caused by planetary dust in future missions to the Moon and Mars. Poly(methyl methacrylate) (PMMA), poly(dimethylsiloxane) (PDMS), Nomex® IIIA, and Kapton® were selected as materials used in space applications and their thermal behavior and outgassing analyzed. A test-apparatus was built to facilitate the detection experiment, while doubling as a multi-purpose and future relevant gas mixing system. The design and development process as well as information on the construction and software are documented as part of this work to support maintenance and promote adaptations to the needs of scientific tasks. The polymers were heated in a controlled manner, in a specialized tube furnace, and the thermally-driven outgassing measured the SGP40 sensors, in constant and temperature modulated operation. In combination with suited chemometric methods, predictions on material temperatures resulted in mean absolute errors of 4.74 % for PMMA, 5.52 % for Nomex® IIIA, 14.20 % for PDMS, and 14.94 % for Kapton® . Mean relative errors ranged from 3 K to 10 K, using random forest regression. Additionally, the materials’ relevant characteristics of degradation temperature and outgassing species were assessed using thermogravimetric analysis-mass spectrometry (TGA-MS) and gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). Further investigations on the ability of the commercial sensor were conducted, to deliver spatial information on a source. For this purpose, 32 sensors were distributed in a chemical sensor grid, in the 1 m^3 test volume of the test-apparatus, in an attempt to localize the origin of heated PMMA in a three-class classification. The patterns of the sensor responses led to a classification accuracy of 100 % using dynamic time warping distances with the k-nearest neighbors algorithm. Furthermore, information on the plume movement was gained, leading to the identification of optimal sensor placement in the present configuration. The results of this work form the basis for further development of pre-ignition fire detection, while the specialized test system will remain in use beyond the scope of the project.