Betaalbare Sensor Maakt Precieze Methaandetectie Bij Lage Concentraties Mogelijk

Onderzoekers hebben een nieuwe sensor ontwikkeld die praktische en goedkope detectie van lage concentraties methaangas mogelijk kan maken. Het meten van methaanemissies en lekkages is belangrijk voor diverse industrieën omdat het gas bijdraagt aan mondiale opwarming en luchtverontreiniging.

Landbouw- en afvalindustrieën stoten significante hoeveelheden methaan uit, wat ook cruciaal is voor de olie- en gasindustrie voor zowel milieu- als economische redenen omdat aardgas voornamelijk bestaat uit methaan.

Onderzoekers van Princeton University en het U.S. Naval Research Laboratory hebben hun nieuwe gassensor gedemonstreerd, die een interband cascade lichtemitterend apparaat (ICLED) gebruikt om methaanconcentraties te detecteren tot 0,1 parts per million. ICLEDs zijn een nieuw type hogere-vermogen LED die licht emiteert in het midden-infrarood. De onderzoekers hopen dat dit uiteindelijk de deur open zal zetten voor goedkope, accurate en gevoelige methaanmetingen. De sensoren kunnen gebruikt worden om methaanemissies van vee- en melkveebedrijven beter te begrijpen en om accuratere en alomtegenwoordige monitoring van de klimaatcrisis te mogelijk maken.

Laser-gebaseerde sensoren zijn momenteel de goudstandaard voor methaandetectie, maar ze kosten tussen $10.000 en $100.000 per stuk. Een sensornetwerk dat lekkages detecteert over een stortplaats, petrochemische faciliteit, afvalwaterbehandeling, of boerderij zou prohibitief duur zijn om te implementeren met laser-gebaseerde sensoren.

Hoewel methaansensing gedemonstreerd is met midden-IR LEDs, is de prestatie beperkt gebleven door de lage lichtintensiteiten gegenereerd door beschikbare apparaten. Om de gevoeligheid aanzienlijk te verbeteren en een praktisch systeem te ontwikkelen voor methaanmonitoring, gebruikten de onderzoekers een nieuwe ICLED ontwikkeld bij het U.S. Naval Research Laboratory.

De ICLEDs die ze ontwikkelden emitteren ruwweg tien keer meer vermogen dan commercieel beschikbare midden-IR LEDs hadden gegenereerd en kunnen potentiëel massaproduceerd worden. Volgens de onderzoekers zou dit ICLED-gebaseerde sensoren mogelijk kunnen maken die minder dan $100 per sensor kosten.

Om methaan te meten, meet de nieuwe sensor infraroodlicht getransporteerd door schone lucht zonder methaan en vergelijkt dat met transmissie door lucht die methaan bevat. Om de gevoeligheid te vergroten, zonden de onderzoekers het infraroodlicht van de hoge-vermogen ICLED door een een-meter-lange holle-kern vezel die een luchtmonster bevatte. De binnenkant van de vezel is gecoat met zilver, wat ervoor zorgt dat het licht reflecteert op de oppervlakken terwijl het naar de fotodetector aan het andere einde reist. Dit laat het licht interageren met additionele moleculen methaan in de lucht wat resulteert in hogere absorptie van het licht.

Om de nieuwe sensor te testen, lieten de onderzoekers bekende concentraties methaan door de holle kern vezel stromen en vergelijken de infraroodtransmissie van de monsters met state-of-the-art laser-gebaseerde sensoren. De ICLED-sensor was in staat concentraties te detecteren zo laag als 0,1 parts per million terwijl het uitstekende overeenstemming toonde met zowel gekalibreerde standaarden als de laser-gebaseerde sensor.

Volgens de onderzoekers is dit precisieniveau voldoende om emissies nabij bronnen van methaanverontreiniging te monitoren. Een array van deze sensoren kan geïnstalleerd worden om methaanemissies op grote faciliteiten te meten, waardoor operators lekkages kunnen detecteren en mitigeren op een betaalbare en snelle manier.

De onderzoekers plannen het ontwerp van de sensor te verbeteren om het praktisch te maken voor lange-termijn veldmetingen door manieren te onderzoeken om de mechanische stabiliteit van de holle-kern vezel te verhogen. Ze zullen ook bestuderen hoe extreme weersomstandigheden en veranderingen in omgevingsvochtigheid en temperatuur het systeem kunnen beïnvloeden. Omdat de meeste broeikasgassen, en veel andere chemicaliën, geïdentificeerd kunnen worden door middel-infrarood licht te gebruiken, kan de methaansensor ook aangepast worden om andere belangrijke gassen te detecteren.