Wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een laboratoriuminstrument ontwikkeld dat kan meten hoeveel koolstof in veel koolstofhoudende materialen afkomstig is van fossiele brandstoffen. Dit zal de weg vrijmaken voor nieuwe methoden in de biobrandstoffen- en biokunststofindustrie, bij wetenschappelijk onderzoek, en omgevingsmonitoring. Onder andere, het zal wetenschappers in staat stellen te meten hoeveel van de koolstofdioxide (CO ₂ ) in de atmosfeer kwam van het verbranden van fossiele brandstoffen, en om de uitstoot van fossiele brandstoffen te schatten in een gebied zo klein als een stad of zo groot als een continent.

Dit is mogelijk doordat koolstofatomen in zware en lichte vormen voorkomen, of isotopen, en het meten van de relatieve hoeveelheden van elk kan de bron van de koolstof onthullen. Het op deze manier gebruiken van koolstofisotopen is geen nieuw idee, maar het vereist uiterst nauwkeurige - en dure - metingen. Het nieuwe instrument, ontwikkeld door NIST-chemici Adam Fleisher en David Long en gebaseerd op een technologie die holte-ringdown-spectroscopie (CRDS) wordt genoemd, belooft de kosten van die metingen drastisch te verlagen. Ze beschreven de prestaties van het instrument in de Journal of Physical Chemistry Letters .

"Het meten van koolstofisotopen is een uiterst nuttige techniek, maar tot nu toe, het is beperkt gebruikt vanwege de kosten, " zei Long. "Het verlagen van de kosten zal de weg openen voor nieuwe toepassingen, vooral degenen die een groot aantal monsters moeten testen."

De sleutel tot deze metingen is koolstof-14, een radioactieve (maar ongevaarlijke) isotoop van koolstof die in de bovenste atmosfeer wordt gevormd. Dat koolstof-14 vindt zijn weg naar alle levende wezens. In tegenstelling tot gewone koolstof, koolstof-14 is onstabiel, met een halfwaardetijd van 5, 730 jaar. Als levende wezens sterven, ze stoppen met het opnemen van koolstof in hun lichaam, en hun koolstof-14 begint weg te rotten.

Wetenschappers kunnen berekenen hoe lang geleden iets is gestorven door te meten hoeveel koolstof-14 zich in de overblijfselen bevindt. Die techniek heet koolstofdatering, en wetenschappers gebruiken het om dingen als Neanderthaler-botten en oude plantenvezels te dateren.

Fossiele brandstoffen zijn ook de overblijfselen van levende wezens, voornamelijk planten die honderden miljoenen jaren geleden stierven. Vrijwel al hun koolstof-14 is eeuwen geleden vergaan, dus alles wat daarvan afgeleid is, wordt gekenmerkt door de afwezigheid van meetbare hoeveelheden koolstof-14.

Maar koolstof-14 is uiterst zeldzaam, en om het te gebruiken voor het identificeren van fossiele brandstoffen, wetenschappers moeten het kunnen meten bij concentraties zo laag als 1 deel op 10 biljoen. Dat is het equivalent van een enkele zandkorrel in 60 dumptrucks vol met het spul.

Om concentraties die zo laag zijn te meten, u een uiterst gevoelige meettechniek nodig heeft, en zo'n techniek bestaat al. Archeologen vertrouwen er al tientallen jaren op. Maar die techniek vereist een deeltjesversneller om de isotopen te scheiden (het zwaardere koolstof-14 versnelt langzamer dan het gewone koolstof-12), samen met een faciliteit om het te huisvesten en een team van PhD's om het te runnen.

Het CRDS-instrument dat Fleisher en Long hebben ontwikkeld, kan op een laboratoriumtafel staan ​​en is relatief goedkoop in gebruik.

CRDS-instrumenten analyseren gassen door de golflengten van het licht dat ze absorberen te detecteren. Bijvoorbeeld, CO ₂ dat koolstof-14 bevat - de zogenaamde zware CO ₂ —absorbeert een iets andere golflengte dan gewone CO ₂ .

Om te meten hoeveel zware CO ₂ je hebt in een CO ₂ steekproef, u injecteert eerst het monster in de meetholte van het instrument (de "C" in CRDS), dat is een buis met spiegels aan beide uiteinden. Vervolgens stem je een laser af op de exacte golflengte die alleen zware CO ₂ absorbeert en schiet een uitbarsting ervan in de holte. Terwijl het laserlicht tussen de spiegels kaatst, een deel van zijn energie wordt geabsorbeerd door het gas. Hoe groter de absorptie, hoe groter de concentratie van zware CO ₂ .

Om de vereiste gevoeligheid te bereiken, Fleisher en Long hebben de bestaande CRDS-technologie verbeterd door een systeem te ontwikkelen dat de caviteit koelt tot een uniforme minus 55 graden Celsius en temperatuurschommelingen minimaliseert die de meting zouden verstoren. Door de holte erg koud te maken, kan hun instrument zeer zwakke signalen van lichtabsorptie detecteren, op dezelfde manier waarop je een speld kunt horen vallen als je een kamer extreem stil maakt.

Deze en andere verbeteringen verhoogden de gevoeligheid van het instrument voldoende voor nauwkeurige koolstofdatering.

Om biobrandstoffen en bioplastics te testen, je zou die materialen eerst verbranden, verzamel vervolgens de resulterende CO ₂ voor analyse. Hiermee kunt u een brandstofmengsel testen om te bepalen welk deel ervan biobrandstof is. In de luchtvaartindustrie, bijvoorbeeld, dit zou nuttig zijn omdat sommige landen eisen dat vliegtuigbrandstoffen een bepaald percentage biobrandstof bevatten. Dergelijke tests kunnen ook worden gebruikt om te verifiëren dat bioplastics, die voor een premie worden verkocht, bevatten geen van aardolie afgeleide verbindingen.

Om de uitstoot van fossiele brandstoffen in een geografisch gebied te schatten, je zou veel luchtmonsters in dat gebied verzamelen en de atmosferische CO . analyseren ₂ in die monsters. Gebieden met een hoge uitstoot van fossiele brandstoffen, zoals steden en industriegebieden, zal onder-normale concentraties van zware CO . hebben ₂ .

"Emissies van fossiele brandstoffen verdunnen de concentratie van zware CO ₂ in de lucht, "zei Fleisher. "Als we die concentratie nauwkeurig kunnen meten nadat het is verdund, we kunnen berekenen hoeveel uitstoot van fossiele brandstoffen in de mix zit."

Een rapport van de National Academy of Sciences schatte dat 10, 000 monsters per jaar, verzameld op zorgvuldig gekozen locaties in de Verenigde Staten, zou voldoende zijn om de nationale uitstoot van fossiele brandstoffen tot op 10 procent van de werkelijke waarde te schatten. Een dergelijk meetsysteem kan de betrouwbaarheid van nationale emissieschattingen vergroten. Dit zou vooral nuttig zijn in delen van de wereld waar emissiegegevens van hoge kwaliteit niet direct beschikbaar zijn.

"Er is behoefte aan dit soort metingen in veel industrieën, "Zei Fleisher. "We hebben een manier getoond om op een kosteneffectieve manier aan die behoefte te voldoen."