Новый датчик открывает путь к недорогим чувствительным измерениям метана

Исследователи разработали новый датчик, который может обеспечить практичное и недорогое обнаружение низких концентраций газообразного метана. Измерение выбросов и утечек метана важно для различных отраслей, поскольку этот газ способствует глобальному потеплению и загрязнению воздуха.

Сельское хозяйство и предприятия по переработке отходов выделяют значительное количество метана, что также имеет решающее значение для нефтегазовой отрасли как по экологическим, так и по экономическим причинам, поскольку природный газ в основном состоит из метана.

Исследователи из Принстонского университета и Исследовательской лаборатории ВМС США продемонстрировали свой новый датчик газа, в котором используется межполосное каскадное светоизлучающее устройство (ICLED) для обнаружения концентрации метана до 0,1 части на миллион. ICLED — это новый тип мощных светодиодов, излучающих свет в среднем инфракрасном диапазоне. Исследователи надеются, что это в конечном итоге откроет двери для недорогих, точных и чувствительных измерений метана. Датчики можно использовать для лучшего понимания выбросов метана животноводческими и молочными фермами, а также для обеспечения более точного и всеобъемлющего мониторинга климатического кризиса.

Лазерные датчики в настоящее время являются золотым стандартом для обнаружения метана, но они стоят от 10 000 до 100 000 долларов каждый. Сеть датчиков, которая обнаруживает утечки на свалке, нефтехимическом предприятии, очистных сооружениях или ферме, будет непомерно дорогой, если использовать датчики на основе лазера.

Хотя обнаружение метана было продемонстрировано с помощью светодиодов среднего ИК-диапазона, производительность была ограничена низкой интенсивностью света, генерируемого доступными устройствами. Чтобы существенно улучшить чувствительность и разработать практическую систему мониторинга метана, исследователи использовали новый ICLED, разработанный в исследовательской лаборатории ВМС США.

Разработанные ими ICLED излучают примерно в десять раз больше энергии, чем коммерчески доступные светодиоды среднего ИК-диапазона, и потенциально могут производиться серийно. По мнению исследователей, это может позволить использовать датчики на основе ICLED по цене менее 100 долларов США за датчик.

Для измерения метана новый датчик измеряет инфракрасный свет, проходящий через чистый воздух без метана, и сравнивает его с прохождением через воздух, содержащий метан. Чтобы повысить чувствительность, исследователи направили инфракрасный свет от мощного ICLED через метровое полое волокно, содержащее образец воздуха. Внутренняя часть волокна покрыта серебром, что заставляет свет отражаться от его поверхностей, когда он проходит по волокну к фотодетектору на другом конце. Это позволяет свету взаимодействовать с дополнительными молекулами метана в воздухе, что приводит к более высокому поглощению света.

Чтобы протестировать новый датчик, исследователи влили известные концентрации метана в волокно с полой сердцевиной и сравнили пропускание образцов в инфракрасном диапазоне с современными датчиками на основе лазера. Датчик ICLED смог определить концентрацию до 0,1 части на миллион, демонстрируя при этом превосходное соответствие как калиброванным стандартам, так и лазерному датчику.

По мнению исследователей, такого уровня точности достаточно для мониторинга выбросов вблизи источников загрязнения метаном. Массив этих датчиков может быть установлен для измерения выбросов метана на крупных объектах, что позволит операторам обнаруживать утечки и устранять их по доступной цене и быстро.

Исследователи планируют улучшить конструкцию датчика, чтобы сделать его практичным для долгосрочных полевых измерений, исследуя способы повышения механической стабильности волокна с полой сердцевиной. Они также изучат, как экстремальные погодные условия и изменения влажности и температуры окружающей среды могут повлиять на систему. Поскольку большинство парниковых газов и многие другие химические вещества можно идентифицировать с помощью излучения среднего ИК-диапазона, датчик метана также можно адаптировать для обнаружения других важных газов.