Bij het winnen van aardgas uit de aarde of het transporteren ervan door pijpleidingen kan methaan vrijkomen in de atmosfeer. methaan, het hoofdbestanddeel van aardgas, is een broeikasgas met een opwarmingspotentieel van ongeveer 25 keer groter dan koolstofdioxide, waardoor het zeer efficiënt is in het vasthouden van atmosferische warmte-energie. Een nieuwe op chips gebaseerde methaanspectrometer, dat is kleiner dan een dubbeltje, zou het op een dag gemakkelijker kunnen maken om te controleren op efficiëntie en lekken over grote gebieden.

Wetenschappers van IBM Thomas J. Watson Research Center in Yorktown Heights, NY, ontwikkelde de nieuwe methaanspectrometer, die kleiner is dan de huidige standaardspectrometers en zuiniger om te vervaardigen. In optiek , Het tijdschrift van de Optical Society voor onderzoek met hoge impact, de onderzoekers detailleren de nieuwe spectrometer en laten zien dat het methaan kan detecteren in concentraties van slechts 100 delen per miljoen.

Laag onderhoud, hoge impact

De spectrometer is gebaseerd op siliciumfotonicatechnologie, wat betekent dat het een optisch apparaat is gemaakt van silicium, het materiaal dat wordt gebruikt om computerchips te maken. Omdat dezelfde grootschalige productiemethoden die worden gebruikt voor computerchips kunnen worden toegepast om de op chips gebaseerde methaanspectrometer te maken, de spectrometer kan samen met een behuizing en een batterij of zonne-energiebron slechts een paar honderd dollar kosten als hij in grote hoeveelheden wordt geproduceerd.

"Vergeleken met de kosten van tienduizenden dollars voor de in de handel verkrijgbare methaandetecterende optische sensoren van vandaag, volumeproductie zou zich vertalen in een aanzienlijke waardepropositie voor de chipspectrometer, " zei Willem Groen, leider van het IBM Research-team. "Bovendien, zonder bewegende delen en zonder fundamentele vereiste voor nauwkeurige temperatuurregeling, dit type sensor kan jaren meegaan met bijna geen onderhoud."

Zulke goedkope, robuuste spectrometers kunnen leiden tot spannende nieuwe toepassingen. Bijvoorbeeld, het IBM-team werkt samen met partners in de olie- en gasindustrie aan een project dat de spectrometers zou gebruiken om methaanlekken op te sporen, bedrijven de tijd en het geld besparen dat nodig is om lekken te vinden en op te lossen door middel van persoonlijke inspectie van duizenden sites.

"Tijdens de winning en distributie van aardgas methaan kan in de lucht lekken wanneer apparatuur op de put niet goed functioneert, kleppen komen vast te zitten, of er zit een scheur in de pijplijn, " zei Green. "We ontwikkelen een manier om deze spectrometer-op-een-chip te gebruiken om een ​​netwerk van sensoren te creëren die over een putpad kunnen worden verdeeld, bijvoorbeeld. Gegevens van deze sensoren zouden worden verwerkt met IBM's fysieke analysesoftware om automatisch de locatie van een lek te lokaliseren en de omvang van het lek te kwantificeren."

Methaan is een spoorgas, de classificatie die wordt gegeven aan gassen die minder dan 1 procent uitmaken van het volume van de atmosfeer van de aarde. Hoewel de onderzoekers methaandetectie lieten zien, dezelfde benadering zou kunnen worden gebruikt voor het detecteren van de aanwezigheid van andere individuele sporengassen. Het kan ook worden gebruikt om meerdere gassen tegelijk te detecteren.

"Onze langetermijnvisie is om dit soort sensoren in huis en in dingen die mensen elke dag gebruiken, zoals hun mobiele telefoons of voertuigen, op te nemen. Ze kunnen nuttig zijn voor het detecteren van vervuiling, gevaarlijke koolmonoxideniveaus of andere interessante moleculen, " zei Eric Zhang, een lid van het onderzoeksteam. "Omdat deze spectrometer een platform biedt voor detectie van meerdere soorten, het zou ooit ook kunnen worden gebruikt voor gezondheidsmonitoring door middel van ademanalyse."

De spectrometer verkleinen

Het nieuwe apparaat maakt gebruik van een benadering die bekend staat als absorptiespectroscopie, waarvoor laserlicht nodig is met de golflengte die uniek wordt geabsorbeerd door het te meten molecuul. In een traditionele absorptiespectroscopieopstelling, de laser reist door de lucht, of vrije ruimte, totdat het een detector bereikt. Het meten van het licht dat de detector bereikt, onthult hoeveel licht werd geabsorbeerd door de moleculen van belang in de lucht en kan worden gebruikt om de concentratie ervan te berekenen.

Het nieuwe systeem gebruikt een vergelijkbare aanpak, maar in plaats van een opstelling met vrije ruimte, de laser reist door een smalle siliciumgolfgeleider die een 10 centimeter lang kronkelig patroon volgt bovenop een chip van 16 vierkante millimeter. Een deel van het licht zit gevangen in de golfgeleider, terwijl ongeveer 25 procent van het licht zich buiten het silicium in de omgevingslucht uitstrekt. waar het kan interageren met spoorgasmoleculen die in de buurt van de sensorgolfgeleider passeren. De onderzoekers gebruikten nabij-infrarood laserlicht (1650 nanometer golflengte) voor methaandetectie.

Om de gevoeligheid van het apparaat te vergroten, de onderzoekers zorgvuldig gemeten en gecontroleerde factoren die bijdragen aan ruis en valse absorptiesignalen, verfijnde het ontwerp van de spectrometer en bepaalde de geometrische parameters van de golfgeleider die gunstige resultaten zouden opleveren.

Vergelijking naast elkaar

Om de prestaties van de nieuwe spectrometer te vergelijken met die van een standaard spectrometer in de vrije ruimte, ze plaatsten de apparaten in een milieukamer en lieten gecontroleerde concentraties methaan vrij. De onderzoekers ontdekten dat de op chips gebaseerde spectrometer een nauwkeurigheid opleverde die vergelijkbaar was met de vrije-ruimtesensor, ondanks dat er 75 procent minder licht in wisselwerking stond met de lucht in vergelijking met het vrije-ruimteontwerp. Verder, de fundamentele gevoeligheid van de chipsensor werd gekwantificeerd door de kleinste waarneembare verandering in methaanconcentratie te meten, met prestaties die vergelijkbaar zijn met spectrometers in de vrije ruimte die in andere laboratoria zijn ontwikkeld.

"Hoewel silicium-fotonica-systemen - vooral systemen die brekingsindexveranderingen gebruiken voor detectie - eerder zijn onderzocht, het innovatieve deel van ons werk was om dit type systeem te gebruiken om zeer zwakke absorptiesignalen van kleine concentraties methaan te detecteren, en onze uitgebreide analyse van de ruis en minimale detectielimieten van onze sensorchip, " zei Zhang.

De huidige versie van de spectrometer heeft licht nodig om via optische vezels de chip in en uit te gaan. Echter, de onderzoekers werken aan de integratie van de lichtbron en detectoren op de chip, wat een in wezen elektrisch apparaat zou creëren zonder dat er glasvezelverbindingen nodig zijn. In tegenstelling tot de huidige sensoren voor vrije ruimte, de chip heeft dan geen speciaal monster of optische voorbereiding nodig. Volgend jaar, ze zijn van plan om de spectrometers in het veld te testen door ze in een groter netwerk te plaatsen dat andere kant-en-klare sensoren bevat.

"Ons werk toont aan dat alle kennis achter de productie van siliciumfotonica, verpakking, en componentontwerp kan in de optische sensorruimte worden gebracht, om in grote hoeveelheden geproduceerde en, in principe, goedkope sensoren, uiteindelijk een geheel nieuwe reeks toepassingen voor deze technologie mogelijk maken, " zei Groen.