Il processo di estrazione del gas naturale dalla terra o il suo trasporto attraverso le condutture può rilasciare metano nell'atmosfera. Metano, il componente principale del gas naturale, è un gas serra con un potenziale di riscaldamento circa 25 volte maggiore dell'anidride carbonica, rendendolo molto efficiente nell'intrappolare l'energia termica atmosferica. Un nuovo spettrometro per metano basato su chip, che è più piccolo di un centesimo, potrebbe un giorno rendere più semplice il monitoraggio dell'efficienza e delle perdite su vaste aree.

Scienziati dell'IBM Thomas J. Watson Research Center di Yorktown Heights, New York, sviluppato il nuovo spettrometro per metano, che è più piccolo degli spettrometri standard di oggi e più economico da produrre. In ottica , La rivista della Optical Society per la ricerca ad alto impatto, i ricercatori descrivono in dettaglio il nuovo spettrometro e mostrano che è in grado di rilevare il metano in concentrazioni fino a 100 parti per milione.

Bassa manutenzione, grande impatto

Lo spettrometro si basa sulla tecnologia della fotonica del silicio, il che significa che è un dispositivo ottico in silicio, il materiale utilizzato per realizzare i chip dei computer. Poiché gli stessi metodi di produzione ad alto volume utilizzati per i chip dei computer possono essere applicati per realizzare lo spettrometro a metano basato su chip, lo spettrometro insieme a un alloggiamento e una batteria o una fonte di energia solare potrebbe costare anche poche centinaia di dollari se prodotto in grandi quantità.

"Rispetto al costo di decine di migliaia di dollari per i sensori ottici di rilevamento del metano oggi disponibili in commercio, la produzione di volume si tradurrebbe in una proposta di valore significativa per lo spettrometro a chip, " ha detto William Green, capo del team di ricerca IBM. "Inoltre, senza parti in movimento e nessun requisito fondamentale per un controllo preciso della temperatura, questo tipo di sensore potrebbe funzionare per anni quasi senza manutenzione."

Così a basso costo, spettrometri robusti potrebbero portare a nuove entusiasmanti applicazioni. Per esempio, il team IBM sta lavorando con partner dell'industria petrolifera e del gas su un progetto che utilizzerebbe gli spettrometri per rilevare perdite di metano, risparmiando alle aziende il tempo e il denaro necessari per cercare di trovare e riparare le perdite utilizzando l'ispezione di persona di migliaia di siti.

"Durante l'estrazione e la distribuzione del gas naturale, il metano può fuoriuscire nell'aria quando l'attrezzatura sul pozzo non funziona correttamente, le valvole si bloccano, o c'è una crepa nella conduttura, " ha detto Green. "Stiamo sviluppando un modo per utilizzare questo spettrometro su un chip per creare una rete di sensori che potrebbe essere distribuita su un pozzo, Per esempio. I dati di questi sensori verrebbero elaborati con il software di analisi fisica di IBM per individuare automaticamente la posizione di una perdita e quantificare l'entità della perdita".

Il metano è un gas traccia, la classificazione data ai gas che costituiscono meno dell'1 per cento del volume dell'atmosfera terrestre. Sebbene i ricercatori abbiano dimostrato il rilevamento del metano, lo stesso approccio potrebbe essere utilizzato per rilevare la presenza di altri gas traccia individuali. Potrebbe anche essere utilizzato per rilevare più gas contemporaneamente.

"La nostra visione a lungo termine è quella di incorporare questi tipi di sensori nelle case e nelle cose che le persone usano ogni giorno come i loro telefoni cellulari o veicoli. Potrebbero essere utili per rilevare l'inquinamento, pericolosi livelli di monossido di carbonio o altre molecole di interesse, "ha detto Eric Zhang, un membro del gruppo di ricerca. "Poiché questo spettrometro offre una piattaforma per il rilevamento multispecie, potrebbe anche essere usato un giorno per il monitoraggio della salute attraverso l'analisi del respiro".

Ridurre lo spettrometro

Il nuovo dispositivo utilizza un approccio noto come spettroscopia di assorbimento, che richiede luce laser alla lunghezza d'onda assorbita in modo univoco dalla molecola da misurare. In una configurazione di spettroscopia di assorbimento tradizionale, il laser viaggia nell'aria, o spazio libero, finché non raggiunge un rilevatore. La misurazione della luce che raggiunge il rivelatore rivela quanta luce è stata assorbita dalle molecole di interesse nell'aria e può essere utilizzata per calcolare la concentrazione di esse presenti.

Il nuovo sistema utilizza un approccio simile, ma invece di una configurazione a spazio libero, il laser viaggia attraverso una stretta guida d'onda di silicio che segue un motivo a serpentina lungo 10 centimetri sopra un chip che misura 16 millimetri quadrati. Parte della luce è intrappolata all'interno della guida d'onda mentre circa il 25% della luce si estende all'esterno del silicio nell'aria ambiente, dove può interagire con le molecole di gas in traccia che passano vicino alla guida d'onda del sensore. I ricercatori hanno utilizzato la luce laser nel vicino infrarosso (lunghezza d'onda di 1650 nanometri) per il rilevamento del metano.

Per aumentare la sensibilità del dispositivo, gli investigatori hanno accuratamente misurato e controllato i fattori che contribuiscono al rumore e ai falsi segnali di assorbimento, ha messo a punto il design dello spettrometro e ha determinato i parametri geometrici della guida d'onda che avrebbero prodotto risultati favorevoli.

Confronto fianco a fianco

Per confrontare le prestazioni del nuovo spettrometro con quelle di uno spettrometro standard a spazio libero, hanno collocato i dispositivi in ​​una camera ambientale e hanno rilasciato concentrazioni controllate di metano. I ricercatori hanno scoperto che lo spettrometro basato su chip ha fornito una precisione alla pari con il sensore dello spazio libero nonostante avesse il 75% di luce in meno che interagisce con l'aria rispetto al design dello spazio libero. Per di più, la sensibilità fondamentale del sensore a chip è stata quantificata misurando la più piccola variazione distinguibile nella concentrazione di metano, mostrando prestazioni paragonabili agli spettrometri a spazio libero sviluppati in altri laboratori.

"Sebbene i sistemi fotonici al silicio, in particolare quelli che utilizzano i cambiamenti dell'indice di rifrazione per il rilevamento, siano stati esplorati in precedenza, la parte innovativa del nostro lavoro è stata quella di utilizzare questo tipo di sistema per rilevare segnali di assorbimento molto deboli da piccole concentrazioni di metano, e la nostra analisi completa del rumore e dei limiti minimi di rilevamento del nostro chip sensore, " disse Zhang.

L'attuale versione dello spettrometro richiede che la luce entri ed esca dal chip tramite fibre ottiche. Però, i ricercatori stanno lavorando per incorporare la sorgente luminosa e i rilevatori nel chip, che creerebbe un dispositivo essenzialmente elettrico senza bisogno di connessioni in fibra. A differenza degli attuali sensori di spazio libero, il chip quindi non richiede un campione speciale o una preparazione ottica. L'anno prossimo, hanno in programma di iniziare a testare sul campo gli spettrometri inserendoli in una rete più ampia che includa altri sensori standard.

"Il nostro lavoro mostra che tutta la conoscenza alla base della produzione di fotonica al silicio, confezione, e il design dei componenti può essere portato nello spazio del sensore ottico, per costruire fabbricati ad alto volume e, in linea di principio, sensori a basso costo, consentendo in definitiva una serie completamente nuova di applicazioni per questa tecnologia, " disse Verde.