Team lancerer kam- og kopersystem til kortlægning af atmosfæriske gasser

Forskere fra National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Colorado Boulder har demonstreret en ny mobil, jordbaseret system, der kunne scanne og kortlægge atmosfæriske gasfaner over kilometers afstande.

Systemet anvender et øjesikkert laserinstrument til at sende lys, der "kæmmer" luften til et flyvende multi-copter og analyserer lysets farver absorberet undervejs for at identificere gassignaturer i næsten realtid.

"Kam og copter"-systemet kan være nyttigt til at scanne for lækager i olie- og gasfelter, undersøge blandingen af ​​autoemissioner og andre gasser i grænsen mellem Jordens overflade og det næste lag af atmosfæren, eller, med planlagte opgraderinger, opdage forurenende stoffer eller kemiske trusler og deres kilder.

Som beskrevet i Optica , forskere brugte kamlyset til at måle kuldioxid, metan og vanddamp-drivhusgasser, der opvarmer atmosfæren-langs en 2 kilometer rundtur mellem et teleskop på et NIST Boulder-laboratorietag og en retroreflektor monteret på en lille, ubemandede fly. Multikopteren svævede på udvalgte steder for at måle gasser langs en vandret sti og i forskellige højder på op til 120 meter (400 fod). Flyvninger i højere højder er teknisk mulige, men i øjeblikket begrænset af ubemandede luftfartsregler for luftfartøjer.

Resultaterne var endnu bedre end NIST's 2014-test af laser-kæmningssystemet uden multicopter. For eksempel, det nye system målte kuldioxidniveauer på 1 del pr. million på bare 60 sekunder, sammenlignet med 200 sekunder tidligere.

"Nu kan vi lave den samme slags atmosfæriske målinger, med lidt højere følsomhed, med et system, som vi kan pege på, hvor vi vil, "NIST fysisk kemiker Kevin Cossel sagde." Teknologien og følsomheden er lovende. "

Laserinstrumentet bruger to frekvenskamme - måleværktøjer, der består af tusindvis af præcise frekvenser eller lysfarver, som tænderne på en hårkam - til at identificere gasser baseret på mængderne af specifikke farver, der absorberes. 2014-testen viste, at dual-comb-teknikken præcist kan, reproducerbart fornemme sporgasser i atmosfæren. I det arbejde, kamlyset sendt af teleskopet blev returneret fra et spejl monteret på et nærliggende bjerg. En reflektor er nødvendig for at returnere lyset for at styrke signalet før analyse af en detektor ved teleskopet.

Den nyeste version af instrumentet har flere opgraderinger, herunder mere strøm, et forbedret teleskop og en let retroreflektor (et specialiseret 3-D spejl). NIST -forskere gjorde også kamsystemet mere kompakt; det er nu nede på størrelse med et køkkenkomfur, så et køretøj kunne transportere det. Disse ændringer, ud over brug af den tilpassede multi-copter, gøre hele systemet både mere kraftfuldt og mobilt.

For al deres laserekspertise, NIST -forskere fandt ud af, at de var nødt til at samarbejde med ubemandede flyveeksperter på University of Colorado's Integrated Remote and In Situ Sensing (IRISS) -team.

"At flyve med disse ting viste sig at være udfordrende, "NIST's Nathan Newbury forklarede." Det er ikke så let at flyve multi-copters-de skal flyves af en dygtig, ellers går tingene ud af kurs, eller værre, går ned. Enhver, der har købt eller modtaget en for sjov, ved dette."

Multicopteren, der blev brugt i forsøget, var udstyret med en retroreflektor samt instrumenter til måling af placering, temperatur og lufttryk, og sti længde. Teleskopsystemet skal spore retroreflektorens bevægelse, når multikopteren bevæger sig og svæver. Hele systemet henter gaskoncentrationer hvert 10. sekund.

Kam- og coptersystemet komplementerer konventionel teknologi. Mobile jordbaserede punktsensorer kan lave regionale kort, men skal køres i et køretøj eller flyves på et fly. Satellitinstrumenter kan eksternt opdage atmosfæriske gasser med global dækning, men prøver sjældent bestemte områder på Jorden og kun med en grov rumlig opløsning.

I den nærmeste fremtid, forskere planlægger at bruge det flyvende kamsystem til at studere blanding i Jordens grænselag, en væsentlig kilde til usikkerhed i atmosfæriske modeller, og at scanne for emissioner fra olie- og gasanlæg, hvilket kan føre til dannelse af ozon.

"Kam og kopter" -systemet registrerer i øjeblikket gassignaturer i spektrets nær-infrarøde bånd. NIST-forskere håber at kunne udvide dækningen til mellem-infrarød, hvilket ville øge antallet af påviselige gasser og muliggøre applikationer såsom scanning efter kemiske farer og trusler. Laserlys i begge bånd skader ikke øjnene, hvilket betyder, at det er sikkert for brugere og tilskuere. Ud over, længere flyvetider og stiplængder bør være mulige, efterhånden som ubemandet flyteknologi skrider frem. NIST-gruppen har allerede demonstreret, at lignende systemer kan fungere over meget længere vejlængder på op til 12 km (7,5 mile) på en rundtur.