طوَّر الباحثون جهاز استشعار جديدًا يمكن أن يسمح بالكشف العملي ومنخفض التكلفة عن التركيزات المنخفضة من غاز الميثان. يعد قياس انبعاثات وتسريبات الميثان أمرًا مهمًا لمجموعة متنوعة من الصناعات لأن الغاز يساهم في الاحتباس الحراري وتلوث الهواء.

قال مارك زوندلو ، رئيس فريق أبحاث جامعة برينستون الذي طور جهاز الاستشعار: "تنبعث الصناعات الزراعية والنفايات كميات كبيرة من الميثان". "يعد اكتشاف تسرب الميثان أمرًا بالغ الأهمية أيضًا لصناعة النفط والغاز لأسباب بيئية واقتصادية لأن الغاز الطبيعي يتكون أساسًا من الميثان."

في مجلة الجمعية البصرية (OSA) اوبتكس اكسبريس، أظهر باحثون من جامعة برينستون ومختبر أبحاث البحرية الأمريكية مستشعر الغاز الجديد الخاص بهم ، والذي يستخدم جهاز انبعاث الضوء المتتالي (ICLED) للكشف عن تركيزات الميثان منخفضة تصل إلى 0.1 جزء في المليون. تعد أجهزة ICLEDs نوعًا جديدًا من مصابيح LED عالية الطاقة التي تبعث الضوء بأطوال موجية متوسطة للأشعة تحت الحمراء (IR) ، والتي يمكن استخدامها لقياس العديد من المواد الكيميائية.

قال ناثان لي ، المؤلف الأول للورقة البحثية: "نأمل أن يفتح هذا البحث في النهاية الباب أمام قياسات الميثان منخفضة التكلفة ودقيقة وحساسة". "يمكن استخدام أجهزة الاستشعار هذه لفهم انبعاثات الميثان من الماشية ومزارع الألبان بشكل أفضل ولتمكين رصد أكثر دقة وانتشارًا لأزمة المناخ."

بناء جهاز استشعار أقل تكلفة
تعد المستشعرات القائمة على الليزر حاليًا المعيار الذهبي للكشف عن غاز الميثان ، ولكنها تكلف ما بين 10,000 و 100,000 دولار لكل منها. ستكون شبكة الاستشعار التي تكتشف التسريبات عبر مكب النفايات أو منشأة البتروكيماويات أو محطة معالجة مياه الصرف الصحي أو المزرعة باهظة التكلفة للغاية في التنفيذ باستخدام أجهزة الاستشعار القائمة على الليزر.

على الرغم من إظهار استشعار الميثان باستخدام مصابيح LED متوسطة الأشعة تحت الحمراء ، إلا أن الأداء كان محدودًا بسبب شدة الإضاءة المنخفضة الناتجة عن الأجهزة المتاحة. لتحسين الحساسية بشكل كبير وتطوير نظام عملي لرصد الميثان ، استخدم الباحثون ICLED جديدًا طوره فريق جيري ماير في مختبر أبحاث البحرية الأمريكية.

قال ماير: "تصدر ICLEDs التي طورناها طاقة تزيد بنحو عشرة أضعاف عن تلك التي تنتجها مصابيح LED متوسطة الأشعة تحت الحمراء المتاحة تجاريًا ، ويمكن إنتاجها بكميات كبيرة". "يمكن أن يؤدي ذلك إلى تمكين أجهزة الاستشعار القائمة على ICLED والتي تكلف أقل من 100 دولار أمريكي لكل جهاز استشعار."

لقياس الميثان ، يقيس المستشعر الجديد ضوء الأشعة تحت الحمراء الذي ينتقل عبر الهواء النظيف بدون غاز الميثان ويقارنه مع انتقاله عبر الهواء الذي يحتوي على الميثان. لتعزيز الحساسية ، أرسل الباحثون ضوء الأشعة تحت الحمراء من ICLED عالي الطاقة عبر ألياف مجوفة طولها متر واحد تحتوي على عينة من الهواء. يتم طلاء الجزء الداخلي من الألياف بالفضة ، مما يؤدي إلى انعكاس الضوء على أسطحه أثناء انتقاله عبر الألياف إلى جهاز الكشف الضوئي في الطرف الآخر. يسمح هذا للضوء بالتفاعل مع جزيئات الميثان الإضافية في الهواء مما يؤدي إلى امتصاص أعلى للضوء.

قال لي: "تُستخدم المرايا بشكل شائع لعكس الضوء للخلف وللأمام عدة مرات لزيادة حساسية المستشعر ولكن يمكن أن تكون ضخمة وتتطلب محاذاة دقيقة". "الألياف الأساسية المجوفة مدمجة وتتطلب كميات منخفضة من عينة الغاز وهي مرنة ميكانيكيًا."

القياس حتى أجهزة الاستشعار القائمة على الليزر
لاختبار المستشعر الجديد ، قام الباحثون بتدفق تركيزات معروفة من الميثان إلى الألياف الأساسية المجوفة وقارنوا الإرسال بالأشعة تحت الحمراء للعينات بأحدث المستشعرات القائمة على الليزر. كان مستشعر ICLED قادرًا على اكتشاف تركيزات منخفضة تصل إلى 0.1 جزء في المليون مع إظهار اتفاق ممتاز مع كل من المعايير المعايرة والمستشعر القائم على الليزر.

قال لي "هذا المستوى من الدقة كافٍ لمراقبة الانبعاثات بالقرب من مصادر تلوث غاز الميثان". "يمكن تركيب مجموعة من هذه المستشعرات لقياس انبعاثات غاز الميثان في المنشآت الكبيرة ، مما يسمح للمشغلين باكتشاف التسريبات والتخفيف من حدتها بتكلفة معقولة وبسرعة."

يخطط الباحثون لتحسين تصميم المستشعر لجعله عمليًا للقياسات الميدانية طويلة المدى من خلال استكشاف طرق لزيادة الاستقرار الميكانيكي للألياف المجوفة. كما سيقومون بدراسة كيفية تأثير الظروف الجوية القاسية والتغيرات في الرطوبة المحيطة ودرجة الحرارة على النظام. نظرًا لأنه يمكن التعرف على معظم غازات الدفيئة والعديد من المواد الكيميائية الأخرى باستخدام ضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة ، يمكن أيضًا تكييف مستشعر الميثان للكشف عن الغازات المهمة الأخرى.

# # #

الورق: N. Li ، L. Tao ، H. Yi ، CS Kim ، M. Kim ، CL Canedy ، CD Merritt ، WW Bewley ، I. Vurgaftman ، JR Meyer ، MA Zondlo ، "اكتشاف الميثان باستخدام متتالية LED مترابطة إلى ألياف مجوفة " يختار، يقرر. التعبير، 29 ، 5 ، 7221-7231 (2021).

DOI: https: //دوي.غزاله /101364 /عمر الفاروق.415724

من نحن اوبتكس اكسبريس

اوبتكس اكسبريس تقارير عن الابتكارات العلمية والتكنولوجية في جميع جوانب البصريات والضوئيات. توفر المجلة نصف الأسبوعية نشرًا سريعًا للأوراق الأصلية التي راجعها الأقران. تم نشره من قبل الجمعية البصرية (OSA) بقيادة رئيس التحرير جيمس ليجير من جامعة مينيسوتا ، الولايات المتحدة الأمريكية. اوبتكس اكسبريس هي مجلة مفتوحة الوصول ومتاحة مجانًا للقراء عبر الإنترنت في OSA Publishing.

حول جمعية البصريات

تأسست الجمعية البصرية (OSA) في عام 1916 ، وهي منظمة مهنية رائدة للعلماء والمهندسين والطلاب وقادة الأعمال الذين يغذون الاكتشافات ويشكلون تطبيقات الحياة الواقعية ويسرعون الإنجازات في علم الضوء. من خلال المنشورات ذات الشهرة العالمية والاجتماعات ومبادرات العضوية ، توفر OSA أبحاثًا عالية الجودة وتفاعلات ملهمة وموارد مخصصة لشبكتها العالمية الواسعة من خبراء البصريات والضوئيات. لمزيد من المعلومات ، قم بزيارة osa.org.

اتصال وسائل الإعلام:

[البريد الإلكتروني محمي]