Nieuwe sensor effent de weg naar goedkope, gevoelige methaanmetingen

Onderzoekers hebben een nieuwe sensor ontwikkeld die 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 de opwarming van de aarde en luchtvervuiling.

Landbouw- en afvalindustrieën stoten aanzienlijke hoeveelheden methaan uit, wat ook van cruciaal belang is voor de olie- en gasindustrie om zowel ecologische als economische redenen, omdat aardgas voornamelijk uit methaan bestaat.

Onderzoekers van Princeton University en het U.S. Naval Research Laboratory hebben hun nieuwe gassensor gedemonstreerd, 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 die licht uitstraalt in het midden van het infrarood. De onderzoekers hopen dat dit uiteindelijk de deur opent naar goedkope, nauwkeurige en gevoelige methaanmetingen. De sensoren kunnen worden gebruikt om de methaanemissies van vee en melkveebedrijven beter te begrijpen en om de klimaatcrisis nauwkeuriger en diepgaander te kunnen monitoren.

Op laser gebaseerde sensoren zijn momenteel de gouden standaard voor methaandetectie, maar ze kosten elk tussen de $ 10.000 en $ 100.000. Een sensornetwerk dat lekkages op een stortplaats, petrochemische faciliteit, afvalwaterzuiveringsinstallatie of boerderij detecteert, zou onbetaalbaar zijn om te implementeren met behulp van op laser gebaseerde sensoren.

Hoewel methaandetectie 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 voor het monitoren van methaan te ontwikkelen, gebruikten de onderzoekers een nieuwe ICLED die is ontwikkeld in het U.S. Naval Research Laboratory.

De ICLED's die ze ontwikkelden, stoten ongeveer tien keer meer vermogen uit dan commercieel verkrijgbare mid-IR-LED's hadden gegenereerd en zouden mogelijk in massaproductie kunnen worden geproduceerd. Volgens de onderzoekers kan dit ICLED-gebaseerde sensoren mogelijk maken die minder dan $ 100 per sensor kosten.

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

Om de nieuwe sensor te testen, lieten de onderzoekers bekende methaanconcentraties in de holle kernvezel stromen en vergeleken de infraroodtransmissie van de monsters met ultramoderne lasergebaseerde sensoren. De ICLED-sensor kon concentraties van slechts 0,1 delen per miljoen detecteren, terwijl hij uitstekende overeenstemming vertoonde met zowel gekalibreerde standaarden als de op laser gebaseerde sensor.

Volgens de onderzoekers is dit niveau van precisie voldoende om emissies in de buurt van bronnen van methaanvervuiling te monitoren. Een reeks van deze sensoren kan worden geïnstalleerd om de methaanemissies in grote faciliteiten te meten, zodat operators lekken kunnen detecteren en deze op een betaalbare en snelle manier kunnen verhelpen.

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