WASHINGTON - Onderzoekers hebben een nieuwe sensor ontwikkeld die een praktische en goedkope detectie van lage concentraties methaangas mogelijk maakt. Het meten van methaanemissies en -lekken is belangrijk voor verschillende industrieën omdat het gas bijdraagt ​​aan opwarming van de aarde en luchtvervuiling.

"De landbouw- en afvalindustrie stoten aanzienlijke hoeveelheden methaan uit", zegt Mark Zondlo, leider van het onderzoeksteam van Princeton University dat de sensor heeft ontwikkeld. "Het opsporen van methaanlekken is ook van cruciaal belang voor de olie- en gasindustrie om zowel ecologische als economische redenen, omdat aardgas voornamelijk uit methaan bestaat."

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optics Expressdemonstreren onderzoekers van Princeton University en het US Naval Research Laboratory hun nieuwe gassensor, die een interband cascade light emitting device (ICLED) gebruikt om methaanconcentraties zo laag als 0.1 delen per miljoen te detecteren. ICLED's zijn een nieuw type led met een hoger vermogen dat licht uitzendt op mid-infrarode (IR) golflengten, dat kan worden gebruikt om veel chemicaliën te meten.

"We hopen dat dit onderzoek uiteindelijk de deur zal openen naar goedkope, nauwkeurige en gevoelige methaanmetingen", zegt Nathan Li, eerste auteur van het artikel. "Deze sensoren kunnen worden gebruikt om de methaanemissies van vee- en melkveebedrijven beter te begrijpen en om een ​​nauwkeurigere en diepere monitoring van de klimaatcrisis mogelijk te maken."

Een goedkopere sensor bouwen
Op laser gebaseerde sensoren zijn momenteel de gouden standaard voor methaandetectie, maar ze kosten tussen de 10,000 en 100,000 dollar per stuk. Een sensornetwerk dat lekken detecteert op een stortplaats, petrochemische installatie, afvalwaterzuiveringsinstallatie of boerderij zou onbetaalbaar duur zijn om te implementeren met behulp van op laser gebaseerde sensoren.

Hoewel methaan-detectie is aangetoond met mid-IR-LED's, zijn de prestaties beperkt door de lage lichtintensiteiten die worden gegenereerd door beschikbare apparaten. Om de gevoeligheid aanzienlijk te verbeteren en een praktisch systeem te ontwikkelen voor het monitoren van methaan, gebruikten de onderzoekers een nieuwe ICLED, ontwikkeld door het team van Jerry Meyer van het US Naval Research Laboratory.

"De ICLED's die we hebben ontwikkeld, zenden ongeveer tien keer meer stroom uit dan commercieel verkrijgbare mid-IR-LED's hadden gegenereerd, en kunnen mogelijk in massa worden geproduceerd", aldus Meyer. "Dit zou ICLED-gebaseerde sensoren mogelijk kunnen maken die minder dan $ 100 per sensor kosten."

Om methaan te meten, meet de nieuwe sensor infrarood licht dat door schone lucht zonder methaan wordt uitgezonden en vergelijkt dat met transmissie door lucht die methaan bevat. Om de gevoeligheid te vergroten, stuurden de onderzoekers het infrarode licht van de krachtige ICLED door een 1 meter lange holle vezel met daarin een luchtmonster. De binnenkant van de vezel is bedekt met zilver, waardoor het licht door de oppervlakken wordt gereflecteerd terwijl het langs de vezel naar de fotodetector aan het andere uiteinde gaat. Hierdoor kan het licht een interactie aangaan met extra methaanmoleculen in de lucht, wat resulteert in een hogere absorptie van het licht.

"Spiegels worden vaak gebruikt om licht meerdere keren heen en weer te kaatsen om de gevoeligheid van de sensor te vergroten, maar ze kunnen omvangrijk zijn en moeten nauwkeurig worden uitgelijnd", aldus Li. "Holle-kernvezels zijn compact, vereisen een laag monstergasvolume en zijn mechanisch flexibel."

Meten tot op laser gebaseerde sensoren
Om de nieuwe sensor te testen, stroomden de onderzoekers bekende concentraties methaan in de holle kernvezel en vergeleken ze de infraroodtransmissie van de monsters met ultramoderne lasergebaseerde sensoren. De ICLED-sensor was in staat om concentraties zo laag als 0.1 delen per miljoen te detecteren, terwijl hij uitstekende overeenstemming vertoonde met zowel gekalibreerde standaarden als de lasergebaseerde sensor.

"Dit nauwkeurigheidsniveau is voldoende om emissies in de buurt van bronnen van methaanvervuiling te monitoren", zei Li. "Een reeks van deze sensoren zou kunnen worden geïnstalleerd om de methaanemissies bij grote faciliteiten te meten, zodat operators lekken betaalbaar en snel kunnen detecteren en verminderen."

De onderzoekers zijn van plan het ontwerp van de sensor te verbeteren om het praktisch te maken voor langdurige veldmetingen door manieren te onderzoeken om de mechanische stabiliteit van de holle vezel te vergroten. Ze zullen ook onderzoeken hoe extreme weersomstandigheden en veranderingen in luchtvochtigheid en temperatuur het systeem kunnen beïnvloeden. Omdat de meeste broeikasgassen, en vele andere chemicaliën, kunnen worden geïdentificeerd door middel van mid-IR-licht, kan de methaansensor ook worden aangepast om andere belangrijke gassen te detecteren.

###

Paper: N. Li, L. Tao, H. Yi, CS Kim, M. Kim, CL Canedy, CD Merritt, WW Bewley, I. Vurgaftman, JR Meyer, MA Zondlo, "Methaan detectie met behulp van een interband-cascade LED gekoppeld naar een holle vezel, " Opt. uitdrukken, 29, 5, 7221-7231 (2021).

DOI: https: //doei.org /10.1364 /OE.415724

Over Optics Express

Optics Express rapporteert over wetenschappelijke en technologische innovaties in alle aspecten van optica en fotonica. Het tweewekelijkse tijdschrift biedt snelle publicatie van originele, collegiaal getoetste artikelen. Het wordt uitgegeven door The Optical Society (OSA) en geleid door hoofdredacteur James Leger van de Universiteit van Minnesota, VS. Optics Express is een open access tijdschrift en is gratis beschikbaar voor lezers online bij OSA Publishing.

Over The Optical Society

The Optical Society (OSA), opgericht in 1916, is de toonaangevende professionele organisatie voor wetenschappers, ingenieurs, studenten en bedrijfsleiders die ontdekkingen voeden, real-life toepassingen vormgeven en prestaties in de wetenschap van het licht versnellen. Via wereldberoemde publicaties, bijeenkomsten en lidmaatschapsinitiatieven biedt OSA kwaliteitsonderzoek, geïnspireerde interacties en toegewijde middelen voor zijn uitgebreide wereldwijde netwerk van optische en fotonische experts. Ga voor meer informatie naar osa.org.

Media Contact:

[e-mail beveiligd]