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Un nouveau capteur ouvre la voie à des mesures de méthane sensibles à faible coût

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Des avancées récentes pourraient rendre possible le déploiement de réseaux de capteurs de méthane pour détecter ce gaz à effet de serre dans les grandes installations

WASHINGTON - Des chercheurs ont développé un nouveau capteur qui pourrait permettre une détection pratique et peu coûteuse de faibles concentrations de méthane. La mesure des émissions et des fuites de méthane est importante pour diverses industries car le gaz contribue au réchauffement climatique et à la pollution de l'air.

«Les industries agricoles et des déchets émettent des quantités importantes de méthane», a déclaré Mark Zondlo, chef de l'équipe de recherche de l'Université de Princeton qui a développé le capteur. «La détection des fuites de méthane est également essentielle pour l'industrie pétrolière et gazière pour des raisons à la fois environnementales et économiques, car le gaz naturel est principalement composé de méthane.»

Dans le journal The Optical Society (OSA) Optics Express, des chercheurs de l'Université de Princeton et du US Naval Research Laboratory présentent leur nouveau capteur de gaz, qui utilise un dispositif électroluminescent en cascade interbande (ICLED) pour détecter des concentrations de méthane aussi faibles que 0.1 partie par million. Les ICLED sont un nouveau type de LED de puissance supérieure qui émet de la lumière à des longueurs d'onde infrarouges moyennes (IR), qui peuvent être utilisées pour mesurer de nombreux produits chimiques.

«Nous espérons que cette recherche ouvrira finalement la porte à des mesures de méthane peu coûteuses, précises et sensibles», a déclaré Nathan Li, premier auteur de l'article. «Ces capteurs pourraient être utilisés pour mieux comprendre les émissions de méthane provenant des élevages et des fermes laitières et pour permettre une surveillance plus précise et généralisée de la crise climatique.»

Construire un capteur moins cher
Les capteurs laser sont actuellement la référence en matière de détection de méthane, mais ils coûtent entre 10,000 100,000 et XNUMX XNUMX USD chacun. Un réseau de capteurs qui détecte les fuites dans une décharge, une installation pétrochimique, une usine de traitement des eaux usées ou une ferme serait d'un coût prohibitif à mettre en œuvre à l'aide de capteurs laser.

Bien que la détection du méthane ait été démontrée avec des LED à infrarouge moyen, les performances ont été limitées par les faibles intensités lumineuses générées par les appareils disponibles. Pour améliorer considérablement la sensibilité et développer un système pratique de surveillance du méthane, les chercheurs ont utilisé une nouvelle ICLED développée par l'équipe de Jerry Meyer au US Naval Research Laboratory.

«Les ICLED que nous avons développées émettent environ dix fois plus de puissance que les LED mi-IR disponibles dans le commerce et pourraient potentiellement être produites en masse», a déclaré Meyer. «Cela pourrait activer des capteurs basés sur ICLED qui coûtent moins de 100 USD par capteur.»

Pour mesurer le méthane, le nouveau capteur mesure la lumière infrarouge transmise à travers de l'air pur sans méthane et la compare à la transmission dans l'air contenant du méthane. Pour augmenter la sensibilité, les chercheurs ont envoyé la lumière infrarouge de l'ICLED haute puissance à travers une fibre à âme creuse de 1 mètre de long contenant un échantillon d'air. L'intérieur de la fibre est recouvert d'argent, ce qui provoque la réflexion de la lumière sur ses surfaces lors de son déplacement le long de la fibre jusqu'au photodétecteur à l'autre extrémité. Cela permet à la lumière d'interagir avec des molécules supplémentaires de méthane dans l'air, ce qui entraîne une absorption plus élevée de la lumière.

«Les miroirs sont couramment utilisés pour renvoyer la lumière plusieurs fois d'avant en arrière pour augmenter la sensibilité du capteur, mais peuvent être encombrants et nécessiter un alignement précis», a déclaré Li. «Les fibres à âme creuse sont compactes, nécessitent de faibles volumes d’échantillon de gaz et sont mécaniquement flexibles.»

Mesure jusqu'à des capteurs laser
Pour tester le nouveau capteur, les chercheurs ont injecté des concentrations connues de méthane dans la fibre à âme creuse et ont comparé la transmission infrarouge des échantillons avec des capteurs laser de pointe. Le capteur ICLED était capable de détecter des concentrations aussi faibles que 0.1 partie par million tout en montrant un excellent accord avec les étalons calibrés et le capteur laser.

«Ce niveau de précision est suffisant pour surveiller les émissions à proximité des sources de pollution par le méthane», a déclaré Li. «Un ensemble de ces capteurs pourrait être installé pour mesurer les émissions de méthane dans les grandes installations, permettant aux opérateurs de détecter rapidement et de manière abordable les fuites et de les atténuer.»

Les chercheurs prévoient d'améliorer la conception du capteur afin de le rendre pratique pour les mesures sur le terrain à long terme en recherchant des moyens d'augmenter la stabilité mécanique de la fibre à âme creuse. Ils étudieront également comment les conditions météorologiques extrêmes et les changements d'humidité et de température ambiantes pourraient affecter le système. Étant donné que la plupart des gaz à effet de serre et de nombreux autres produits chimiques peuvent être identifiés en utilisant une lumière infrarouge moyenne, le capteur de méthane pourrait également être adapté pour détecter d'autres gaz importants.

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Article: N. Li, L. Tao, H. Yi, CS Kim, M. Kim, CL Canedy, CD Merritt, WW Bewley, I. Vurgaftman, JR Meyer, MA Zondlo, «Methane detection using an interband-cascade LED à une fibre à âme creuse, " Opter. Express, 29, 5, 7221-7231 (2021).

DOI: https: //est ce que je.org /10.1364 /OE.415724

À Propos Optics Express

Optics Express rapports sur les innovations scientifiques et technologiques dans tous les aspects de l'optique et de la photonique. La revue bihebdomadaire permet la publication rapide d'articles originaux évalués par des pairs. Il est publié par The Optical Society (OSA) et dirigé par le rédacteur en chef James Leger de l'Université du Minnesota, États-Unis. Optics Express est une revue en libre accès et est disponible gratuitement pour les lecteurs en ligne chez OSA Publishing.

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Source : https://bioengineer.org/new-sensor-paves-way-to-low-cost-sensible-methane-measurements/

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