Lille chipbaseret metanspektrometer kan hjælpe med at reducere drivhusgasemissioner

Processen med at udvinde naturgas fra jorden eller transportere den gennem rørledninger kan frigive metan i atmosfæren. Metan, den primære komponent i naturgas, er en drivhusgas med et opvarmningspotentiale, der er cirka 25 gange større end kuldioxid, gør det meget effektivt til at fange atmosfærisk varmeenergi. Et nyt chipbaseret metanspektrometer, det er mindre end en skilling, kunne en dag gøre det lettere at overvåge effektivitet og lækager over store områder.

Forskere fra IBM Thomas J. Watson Research Center i Yorktown Heights, NY, udviklet det nye metanspektrometer, som er mindre end nutidens standardspektrometre og mere økonomisk at fremstille. I Optica , The Optical Society's journal for high impact research, forskerne beskriver det nye spektrometer og viser, at det kan detektere metan i koncentrationer helt ned til 100 dele pr. million.

Lav vedligeholdelse, høj effekt

Spektrometeret er baseret på silicon fotonik teknologi, hvilket betyder, at det er en optisk enhed fremstillet af silicium, det materiale, der bruges til at lave computerchips. Fordi de samme fremstillingsmetoder med stor volumen, der bruges til computerchips, kan anvendes til at lave det chipbaserede metanspektrometer, spektrometeret sammen med et hus og et batteri eller en solkilde kan koste så lidt som et par hundrede dollars, hvis det produceres i store mængder.

"Sammenlignet med en pris på titusinder af dollars for nutidens kommercielt tilgængelige metandetekterende optiske sensorer, volumenfremstilling ville oversætte til et betydeligt værditilbud for chipspektrometeret, "sagde William Green, leder af IBM Research -teamet. "I øvrigt, uden bevægelige dele og ingen grundlæggende krav til præcis temperaturkontrol, denne sensor kunne fungere i årevis uden vedligeholdelse. "

Sådan lavpris, robuste spektrometre kan føre til spændende nye applikationer. For eksempel, IBM -teamet arbejder sammen med partnere i olie- og gasindustrien om et projekt, der ville bruge spektrometrene til at detektere metanlækager, sparer virksomheder den tid og penge, der er forbundet med at forsøge at finde og rette utætheder ved hjælp af personlig inspektion af tusindvis af websteder.

"Under udvinding og distribution af naturgas, metan kan sive ud i luften, når udstyr på brønden fungerer, ventiler sidder fast, eller der er en revne i rørledningen, "sagde Green." Vi udvikler en måde at bruge dette spektrometer-på-en-chip til at oprette et netværk af sensorer, der kan fordeles over en brøndpude, for eksempel. Data fra disse sensorer ville blive behandlet med IBM's fysiske analysesoftware for automatisk at lokalisere placeringen af ​​en lækage samt kvantificere lækagestørrelsen. "

Metan er en sporgas, klassificeringen givet til gasser, der udgør mindre end 1 procent af mængden af ​​Jordens atmosfære. Selvom forskerne demonstrerede metandetektion, den samme fremgangsmåde kunne bruges til at registrere tilstedeværelsen af ​​andre individuelle sporgasser. Det kan også bruges til at detektere flere gasser samtidigt.

"Vores langsigtede vision er at inkorporere disse typer sensorer i hjemmet og ting, folk bruger hver dag, f.eks. Deres mobiltelefoner eller køretøjer. De kan være nyttige til at opdage forurening, farlige kulilte niveauer eller andre molekyler af interesse, "sagde Eric Zhang, medlem af forskergruppen. "Fordi dette spektrometer tilbyder en platform til påvisning af flere arter, det kunne også en dag bruges til sundhedsovervågning gennem åndedrætsanalyse. "

Krympning af spektrometeret

Den nye enhed anvender en fremgangsmåde kendt som absorptionsspektroskopi, som kræver laserlys ved bølgelængden, der entydigt absorberes af det molekyle, der måles. I en traditionel absorptionsspektroskopi opsætning, laseren bevæger sig gennem luften, eller ledig plads, indtil den når en detektor. Måling af lyset, der når detektoren, afslører, hvor meget lys der blev absorberet af molekylerne af interesse i luften og kan bruges til at beregne koncentrationen af ​​dem til stede.

Det nye system anvender en lignende tilgang, men i stedet for en fripladsopsætning, laseren bevæger sig gennem en smal siliciumbølgeleder, der følger et 10 centimeter langt serpentinmønster oven på en chip, der måler 16 kvadratmillimeter. Noget af lyset er fanget inde i bølgelederen, mens omkring 25 procent af lyset strækker sig uden for silicium og ud i den omgivende luft, hvor den kan interagere med sporgasmolekyler, der passerer i nærheden af ​​sensorbølgelederen. Forskerne brugte nær infrarødt laserlys (1650 nanometer bølgelængde) til metandetektion.

For at øge enhedens følsomhed, efterforskerne omhyggeligt målte og kontrollerede faktorer, der bidrager til støj og falske absorptionssignaler, finjusterede spektrometerets design og bestemte bølgelederens geometriske parametre, der ville give gunstige resultater.

Side-ved-side sammenligning

For at sammenligne det nye spektrometers ydeevne med et standard frit rumspektrometer, de placerede enhederne i et miljøkammer og frigav kontrollerede koncentrationer af metan. Forskerne fandt ud af, at det chipbaserede spektrometer gav nøjagtighed på niveau med frirumssensoren på trods af, at de havde 75 procent mindre lys, der interagerer med luften i forhold til frirumsdesignet. Desuden, chipsensors grundlæggende følsomhed blev kvantificeret ved at måle den mindste synlige ændring i metankoncentration, viser ydeevne, der kan sammenlignes med ledige rumspektrometre udviklet i andre laboratorier.

"Selvom silicon fotoniske systemer - især dem, der bruger brydningsindeksændringer til sansning - tidligere er blevet undersøgt, den innovative del af vores arbejde var at bruge denne type system til at detektere meget svage absorptionssignaler fra små koncentrationer af metan, og vores omfattende analyse af støj- og minimumsdetektionsgrænser for vores sensorchip, "sagde Zhang.

Den nuværende version af spektrometeret kræver lys for at komme ind og ud af chippen via optiske fibre. Imidlertid, forskerne arbejder på at inkorporere lyskilden og detektorerne på chippen, hvilket ville skabe en i det væsentlige elektrisk enhed uden nødvendige fiberforbindelser. I modsætning til nuværende fritrumssensorer, chippen kræver derefter ingen særlig prøve eller optisk forberedelse. Næste år, de planlægger at begynde at teste spektrometrene ved at placere dem i et større netværk, der indeholder andre sensorer.

"Vores arbejde viser, at al viden bag fremstilling af siliciumfotonik, emballage, og komponentdesign kan bringes ind i det optiske sensorrum, at bygge fremstillede store mængder og, i princippet, billige sensorer, i sidste ende muliggør et helt nyt sæt applikationer til denne teknologi, "sagde Green.