워싱턴 — 연구원들은 저농도의 메탄 가스를 실용적이고 저렴한 비용으로 감지 할 수있는 새로운 센서를 개발했습니다. 가스가 지구 온난화와 대기 오염에 기여하기 때문에 메탄 배출 및 누출을 측정하는 것은 다양한 산업에서 중요합니다.

센서를 개발 한 Princeton University 연구팀의 리더 인 Mark Zondlo는“농업 및 폐기물 산업은 상당한 양의 메탄을 방출합니다. “천연 가스는 주로 메탄으로 구성되어 있기 때문에 메탄 누출을 감지하는 것은 환경 적, 경제적 이유로 석유 및 가스 산업에도 중요합니다.”

The Optical Society (OSA) 저널 광학 익스프레스, 프린스턴 대학과 미국 해군 연구소의 연구원들은 대역 간 캐스케이드 발광 장치 (ICLED)를 사용하여 0.1ppm의 낮은 메탄 농도를 감지하는 새로운 가스 센서를 시연합니다. ICLED는 중 적외선 (IR) 파장에서 빛을 방출하는 새로운 유형의 고출력 LED로, 많은 화학 물질을 측정하는 데 사용할 수 있습니다.

“우리는이 연구가 결국 저렴하고 정확하며 민감한 메탄 측정의 문을 열 수 있기를 바랍니다.”라고 논문의 제 XNUMX 저자 인 Nathan Li는 말했습니다. "이 센서는 축산 및 낙농장의 메탄 배출량을 더 잘 이해하고 기후 위기를보다 정확하고 광범위하게 모니터링하는 데 사용할 수 있습니다."

저렴한 센서 구축
레이저 기반 센서는 현재 메탄 감지의 황금 표준이지만, 비용은 각각 USD 10,000에서 100,000 사이입니다. 매립지, 석유 화학 시설, 폐수 처리장 또는 농장에서 누출을 감지하는 센서 네트워크는 레이저 기반 센서를 사용하여 구현하는 데 엄청나게 많은 비용이 듭니다.

메탄 감지는 중 적외선 LED로 입증되었지만 사용 가능한 장치에서 생성되는 낮은 조명 강도로 인해 성능이 제한되었습니다. 감도를 크게 향상시키고 메탄 모니터링을위한 실용적인 시스템을 개발하기 위해 연구진은 미 해군 연구소의 Jerry Meyer 팀이 개발 한 새로운 ICLED를 사용했습니다.

"우리가 개발 한 ICLED는 상용 중 적외선 LED가 생성 한 것보다 약 100 배 더 많은 전력을 방출하며 잠재적으로 대량 생산 될 수 있습니다."라고 Meyer는 말했습니다. "이는 센서 당 미화 XNUMX 달러 미만의 비용이 드는 ICLED 기반 센서를 가능하게 할 수 있습니다."

메탄을 측정하기 위해 새로운 센서는 메탄이없는 깨끗한 공기를 통해 투과되는 적외선을 측정하고이를 메탄이 포함 된 공기를 통한 투과와 비교합니다. 감도를 높이기 위해 연구진은 고출력 ICLED의 적외선을 공기 샘플이 포함 된 1 미터 길이의 중공 섬유를 통해 보냈습니다. 섬유 내부는은으로 코팅되어있어 빛이 섬유를 따라 다른 쪽 끝의 광 검출기로 이동할 때 빛이 표면에서 반사되도록합니다. 이것은 빛이 공기 중의 추가 메탄 분자와 상호 작용하여 빛을 더 많이 흡수하게합니다.

“미러는 센서 감도를 높이기 위해 빛을 여러 번 앞뒤로 반사하는 데 일반적으로 사용되지만 부피가 크고 정확한 정렬이 필요할 수 있습니다.”라고 Li는 말했습니다. "중공 코어 섬유는 컴팩트하고 적은 양의 샘플 가스를 필요로하며 기계적으로 유연합니다."

레이저 기반 센서까지 측정
새로운 센서를 테스트하기 위해 연구원들은 알려진 농도의 메탄을 중공 코어 섬유로 흘려 보내고 샘플의 적외선 투과를 최첨단 레이저 기반 센서와 비교했습니다. ICLED 센서는 0.1ppm의 낮은 농도를 감지 할 수 있었으며 보정 된 표준 및 레이저 기반 센서와의 탁월한 일치를 보여주었습니다.

“이 정도의 정밀도는 메탄 오염원 근처의 배출을 모니터링하기에 충분합니다. "대규모 시설에서 메탄 배출량을 측정하기 위해 이러한 센서 배열을 설치하여 운영자가 경제적이고 신속하게 누출을 감지하고 완화 할 수 있습니다."

연구진은 중공 섬유의 기계적 안정성을 높이는 방법을 조사하여 장기 현장 측정에 실용적으로 사용할 수 있도록 센서의 설계를 개선 할 계획입니다. 또한 극단적 인 기상 조건과 주변 습도 및 온도의 변화가 시스템에 미치는 영향을 연구합니다. 대부분의 온실 가스와 다른 많은 화학 물질은 중 적외선 빛을 사용하여 식별 할 수 있기 때문에 메탄 센서는 다른 중요한 가스를 감지하는 데에도 적용 할 수 있습니다.

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논문 : N. Li, L. Tao, H. Yi, CS Kim, M. Kim, CL Canedy, CD Merritt, WW Bewley, I. Vurgaftman, JR Meyer, MA Zondlo,“대역 간 캐스케이드 LED 결합을 사용한 메탄 검출 속이 빈 코어 섬유로, " 고르다. 표현하다, 29, 5, 7221-7231(2021).

DOI : https : //doi.org /10.1364 /오.415724

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광학 익스프레스 광학 및 포토닉스의 모든 측면에서 과학 및 기술 혁신에 대한 보고서. 격주로 진행되는이 저널은 동료 심사를 거친 원본 논문을 빠르게 출판합니다. 이 책은 The Optical Society (OSA)에서 발행하고 미국 미네소타 대학의 James Leger 편집장에 의해 주도되었습니다. 광학 익스프레스 오픈 액세스 저널이며 OSA Publishing에서 온라인 독자에게 무료로 제공됩니다.

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