Ny sensor baner vej for billige følsomme metanmålinger

Forskere har udviklet en ny sensor, der kan tillade praktisk og billig påvisning af lave koncentrationer af metangas. Måling af metan-emissioner og lækager er vigtigt for en række industrier, fordi gassen bidrager til global opvarmning og luftforurening.

"Landbrugs- og affaldsindustrien udleder betydelige mængder metan, " sagde Mark Zondlo, leder af Princeton University forskerhold, der udviklede sensoren. "At opdage metanlækager er også kritisk for olie- og gasindustrien af ​​både miljømæssige og økonomiske årsager, fordi naturgas hovedsageligt består af metan."

I tidsskriftet The Optical Society (OSA). Optik Express , forskere fra Princeton University og U.S. Naval Research Laboratory demonstrerer deres nye gassensor, som bruger en interband cascade light emitting device (ICLED) til at detektere metankoncentrationer så lave som 0,1 ppm. ICLED'er er en ny type højere-effekt LED, der udsender lys ved mid-infrarøde (IR) bølgelængder, som kan bruges til at måle mange kemikalier.

"Vi håber, at denne forskning i sidste ende vil åbne døren til lave omkostninger, nøjagtige og følsomme metanmålinger, " sagde Nathan Li, avisens første forfatter. "Disse sensorer kunne bruges til bedre at forstå metan-emissioner fra husdyr og mælkebedrifter og til at muliggøre mere nøjagtig og gennemgribende overvågning af klimakrisen."

Opbygning af en billigere sensor

Laserbaserede sensorer er i øjeblikket guldstandarden for metan-detektion, men de koster mellem USD 10, 000 og 100, 000 hver. Et sensornetværk, der registrerer lækager på tværs af en losseplads, petrokemiske anlæg, spildevandsrensningsanlæg eller gård vil være uoverkommeligt dyrt at implementere ved hjælp af laserbaserede sensorer.

Selvom metanføling er blevet demonstreret med mid-IR LED'er, ydeevnen er blevet begrænset af de lave lysintensiteter, der genereres af tilgængelige enheder. At forbedre følsomheden væsentligt og udvikle et praktisk system til overvågning af metan, forskerne brugte en ny ICLED udviklet af Jerry Meyers team ved U.S. Naval Research Laboratory.

"De ICLED'er, vi udviklede, udsender cirka ti gange mere strøm, end kommercielt tilgængelige mid-IR LED'er havde genereret, og kunne potentielt masseproduceres, " sagde Meyer. "Dette kunne muliggøre ICLED-baserede sensorer, der koster mindre end USD 100 pr. sensor."

For at måle metan, den nye sensor måler infrarødt lys transmitteret gennem ren luft uden metan og sammenligner det med transmission gennem luft, der indeholder metan. For at øge følsomheden, forskerne sendte det infrarøde lys fra den kraftige ICLED gennem en 1 meter lang hulkernefiber indeholdende en luftprøve. Fiberens inderside er belagt med sølv, hvilket får lyset til at reflektere fra dets overflader, når det bevæger sig ned i fiberen til fotodetektoren i den anden ende. Dette tillader lyset at interagere med yderligere molekyler af metan i luften, hvilket resulterer i højere absorption af lyset.

"Spejle bruges almindeligvis til at kaste lys frem og tilbage flere gange for at øge sensorens følsomhed, men de kan være omfangsrige og kræve præcis justering, " sagde Li. "Hulle kernefibre er kompakte, kræver lave mængder prøvegas og er mekanisk fleksible."

Måler op til laserbaserede sensorer

For at teste den nye sensor, forskerne flød kendte koncentrationer af metan ind i den hule kernefiber og sammenlignede den infrarøde transmission af prøverne med avancerede laserbaserede sensorer. ICLED-sensoren var i stand til at detektere koncentrationer så lave som 0,1 ppm, mens den viste fremragende overensstemmelse med både kalibrerede standarder og den laserbaserede sensor.

"Dette præcisionsniveau er tilstrækkeligt til at overvåge emissioner nær kilder til metanforurening, " sagde Li. "En række af disse sensorer kunne installeres til at måle metan-emissioner på store anlæg, giver operatører mulighed for billigt og hurtigt at opdage lækager og afbøde dem."

Forskerne planlægger at forbedre designet af sensoren for at gøre den praktisk til langsigtede feltmålinger ved at undersøge måder at øge den mekaniske stabilitet af hulkernefiberen. De vil også studere, hvordan ekstreme vejrforhold og ændringer i den omgivende luftfugtighed og temperatur kan påvirke systemet. Fordi de fleste drivhusgasser, og mange andre kemikalier, kan identificeres ved at bruge mid-IR lys, metansensoren kunne også tilpasses til at detektere andre vigtige gasser.