Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de University of Colorado Boulder hebben een nieuwe mobiele, systeem op de grond dat atmosferische gaspluimen over kilometers afstanden kan scannen en in kaart kan brengen.

Het systeem gebruikt een oogveilig laserinstrument om licht te sturen dat de lucht "kamt" naar een vliegende multi-copter en analyseert de kleuren van het licht dat onderweg wordt geabsorbeerd om gassignaturen in bijna realtime te identificeren.

Het "kam en helikopter"-systeem kan nuttig zijn om te scannen op lekken in olie- en gasvelden, bestudeer de vermenging van auto-emissies en andere gassen in de grens tussen het aardoppervlak en de volgende laag van de atmosfeer, of, met geplande upgrades, verontreinigende stoffen of chemische bedreigingen en hun bronnen op te sporen.

Zoals beschreven in optiek , onderzoekers gebruikten het kamlicht om koolstofdioxide te meten, methaan en waterdamp - broeikasgassen die de atmosfeer verwarmen - langs een rondreispad van 2 kilometer (1,24 mijl) tussen een telescoop op een NIST Boulder-laboratoriumdak en een retroreflector gemonteerd op een kleine, onbemande vliegtuigen. De multi-copter zweefde op geselecteerde plekken om gassen te meten langs een horizontaal pad en op verschillende hoogten tot 120 meter (400 voet). Vluchten op grotere hoogte zijn technisch haalbaar, maar worden momenteel beperkt door vliegregels voor onbemande luchtvaartuigen.

De resultaten waren zelfs beter dan de NIST-test uit 2014 van het laserkamsysteem zonder multi-copter. Bijvoorbeeld, het nieuwe systeem heeft in slechts 60 seconden koolstofdioxidegehaltes van 1 deel per miljoen gemeten, vergeleken met 200 seconden eerder.

"Nu kunnen we hetzelfde soort atmosferische metingen doen, met een iets hogere gevoeligheid, met een systeem dat we kunnen aanwijzen waar we maar willen, "NIST fysisch chemicus Kevin Cossel zei. "De technologie en gevoeligheid zijn veelbelovend."

Het laserinstrument maakt gebruik van twee frequentiekammen:meetinstrumenten die bestaan ​​uit duizenden precieze frequenties of lichtkleuren, zoals de tanden op een haarkam - om gassen te identificeren op basis van de hoeveelheden specifieke kleuren licht die worden geabsorbeerd. De test van 2014 toonde aan dat de dual-comb-techniek precies, reproduceerbaar sporengassen in de atmosfeer detecteren. In dat werk, het kamlicht dat door de telescoop werd gestuurd, werd teruggestuurd van een spiegel die op een nabijgelegen berg was gemonteerd. Er is een reflector nodig om het licht terug te sturen om het signaal te versterken vóór analyse door een detector bij de telescoop.

De nieuwste versie van het instrument is voorzien van verschillende upgrades, inclusief meer vermogen, een verbeterde telescoop en een lichtgewicht retroreflector (een gespecialiseerde 3D-spiegel). NIST-onderzoekers maakten het kamsysteem ook compacter; het is nu zo groot als een keukenfornuis, zodat een voertuig het kon vervoeren. Deze veranderingen, naast het gebruik van de op maat gemaakte multi-copter, maken het hele systeem krachtiger en mobieler.

Voor al hun laserexpertise, NIST-wetenschappers ontdekten dat ze moesten samenwerken met onbemande vliegtuigvliegexperts van het Integrated Remote and In Situ Sensing (IRISS) team van de University of Colorado.

"Het vliegen met deze dingen bleek een uitdaging, Nathan Newbury van NIST legde uit. "Het is niet zo eenvoudig om met meerdere helikopters te vliegen - ze moeten worden gevlogen door iemand die bekwaam is, of anders dwaalt het ding af, of erger, loopt vast. Iedereen die er een heeft gekocht of gekregen voor de lol weet dit."

De multi-copter die in het experiment werd gebruikt, was uitgerust met een retroreflector en instrumenten voor het meten van locatie, temperatuur en luchtdruk, en padlengte. Het telescoopsysteem moet de beweging van de retroreflector volgen terwijl de multi-copter beweegt en zweeft. Het hele systeem haalt elke 10 seconden gasconcentraties op.

Het kam- en helikoptersysteem is een aanvulling op de conventionele technologie. Mobiele puntsensoren op de grond kunnen regionale kaarten maken, maar moeten in een voertuig worden bestuurd of in een vliegtuig worden gevlogen. Satellietinstrumenten kunnen atmosferische gassen op afstand detecteren met wereldwijde dekking, maar bemonsteren specifieke regio's op aarde niet vaak en met slechts een grove ruimtelijke resolutie.

In de nabije toekomst, onderzoekers zijn van plan het vliegende kamsysteem te gebruiken om vermenging in de grenslaag van de aarde te bestuderen, een belangrijke bron van onzekerheid in atmosferische modellen, en om te scannen op emissies van olie- en gasfaciliteiten, wat kan leiden tot de vorming van ozon.

Het "kam en helikopter"-systeem detecteert momenteel gassignaturen in de nabij-infrarode band van het spectrum. NIST-onderzoekers hopen die dekking uit te breiden tot het midden-infrarood, waardoor het aantal detecteerbare gassen zou toenemen en toepassingen zoals het scannen op chemische gevaren en bedreigingen mogelijk zouden worden. Laserlicht in beide banden beschadigt de ogen niet, wat betekent dat het veilig is voor gebruikers en omstanders. In aanvulling, naarmate de technologie van onbemande vliegtuigen vordert, moeten langere vliegtijden en padlengtes mogelijk zijn. De NIST-groep heeft al aangetoond dat vergelijkbare systemen kunnen werken over veel langere padlengtes tot 12 km (7,5 mijl) in een rondreis.