I ricercatori hanno sviluppato un nuovo sensore che potrebbe consentire il rilevamento pratico ea basso costo di basse concentrazioni di gas metano. La misurazione delle emissioni e delle perdite di metano è importante per una varietà di industrie perché il gas contribuisce al riscaldamento globale e all'inquinamento atmosferico.

"Le industrie agricole e dei rifiuti emettono quantità significative di metano, " ha detto Mark Zondlo, capo del gruppo di ricerca dell'Università di Princeton che ha sviluppato il sensore. "Il rilevamento delle perdite di metano è fondamentale anche per l'industria petrolifera e del gas per motivi sia ambientali che economici perché il gas naturale è composto principalmente da metano".

Nella rivista The Optical Society (OSA) Ottica Express , ricercatori dell'Università di Princeton e del Laboratorio di ricerca navale degli Stati Uniti dimostrano il loro nuovo sensore di gas, che utilizza un dispositivo a emissione di luce a cascata interbanda (ICLED) per rilevare concentrazioni di metano a partire da 0,1 parti per milione. Gli ICLED sono un nuovo tipo di LED ad alta potenza che emette luce a lunghezze d'onda del medio infrarosso (IR), che può essere utilizzato per misurare molte sostanze chimiche.

"Speriamo che questa ricerca alla fine apra le porte a soluzioni a basso costo, misurazioni accurate e sensibili del metano, " ha detto Nathan Li, primo autore del saggio. "Questi sensori potrebbero essere utilizzati per comprendere meglio le emissioni di metano degli allevamenti e degli allevamenti lattiero-caseari e per consentire un monitoraggio più accurato e pervasivo della crisi climatica".

Costruire un sensore meno costoso

I sensori laser sono attualmente il gold standard per il rilevamento del metano, ma costano tra USD 10, 000 e 100, 000 ciascuno. Una rete di sensori che rileva le perdite attraverso una discarica, impianto petrolchimico, un impianto di trattamento delle acque reflue o un'azienda agricola sarebbe proibitivo da implementare utilizzando sensori basati su laser.

Sebbene il rilevamento del metano sia stato dimostrato con LED mid-IR, le prestazioni sono state limitate dalle basse intensità luminose generate dai dispositivi disponibili. Per migliorare sostanzialmente la sensibilità e sviluppare un sistema pratico per il monitoraggio del metano, i ricercatori hanno utilizzato un nuovo ICLED sviluppato dal team di Jerry Meyer presso il Naval Research Laboratory degli Stati Uniti.

"Gli ICLED che abbiamo sviluppato emettono circa dieci volte più energia di quella generata dai LED mid-IR disponibili in commercio, e potrebbe essere potenzialmente prodotto in serie, " ha detto Meyer. "Questo potrebbe abilitare sensori basati su ICLED che costano meno di 100 dollari per sensore".

Per misurare il metano, il nuovo sensore misura la luce infrarossa trasmessa attraverso aria pulita senza metano e la confronta con la trasmissione attraverso aria che contiene metano. Per aumentare la sensibilità, i ricercatori hanno inviato la luce infrarossa dall'ICLED ad alta potenza attraverso una fibra a nucleo cavo lunga 1 metro contenente un campione d'aria. L'interno della fibra è rivestito di argento, che fa riflettere la luce sulle sue superfici mentre viaggia lungo la fibra fino al fotorilevatore all'altra estremità. Ciò consente alla luce di interagire con ulteriori molecole di metano nell'aria con conseguente maggiore assorbimento della luce.

"Gli specchi sono comunemente usati per far rimbalzare la luce avanti e indietro più volte per aumentare la sensibilità del sensore, ma possono essere ingombranti e richiedere un allineamento preciso, " ha detto Li. "Le fibre a nucleo cavo sono compatte, richiedono bassi volumi di gas campione e sono meccanicamente flessibili."

Misurazione fino a sensori basati su laser

Per testare il nuovo sensore, i ricercatori hanno fatto fluire concentrazioni note di metano nella fibra a nucleo cavo e hanno confrontato la trasmissione a infrarossi dei campioni con sensori all'avanguardia basati su laser. Il sensore ICLED è stato in grado di rilevare concentrazioni fino a 0,1 parti per milione, mostrando un eccellente accordo sia con gli standard calibrati che con il sensore laser.

"Questo livello di precisione è sufficiente per monitorare le emissioni vicino a fonti di inquinamento da metano, " ha detto Li. "Una serie di questi sensori potrebbe essere installata per misurare le emissioni di metano in grandi strutture, consentendo agli operatori di rilevare in modo economico e rapido le perdite e di mitigarle."

I ricercatori hanno in programma di migliorare il design del sensore per renderlo pratico per le misurazioni sul campo a lungo termine, studiando modi per aumentare la stabilità meccanica della fibra a nucleo cavo. Studieranno anche come le condizioni meteorologiche estreme e i cambiamenti nell'umidità e nella temperatura ambientali potrebbero influenzare il sistema. Poiché la maggior parte dei gas serra, e molti altri prodotti chimici, può essere identificato utilizzando la luce a medio infrarosso, il sensore di metano potrebbe anche essere adattato per rilevare altri gas importanti.