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.

"De landbouw- en afvalindustrie stoten aanzienlijke hoeveelheden methaan uit, " zei Mark Zondlo, leider van het onderzoeksteam van Princeton University dat de sensor heeft ontwikkeld. "Het detecteren van methaanlekken is ook van cruciaal belang voor de olie- en gasindustrie om zowel ecologische als economische redenen, omdat aardgas voornamelijk uit methaan bestaat."

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Express , onderzoekers van Princeton University en het U.S. Naval Research Laboratory demonstreren hun nieuwe gassensor, die een interband cascade light emitting device (ICLED) gebruikt om methaanconcentraties van slechts 0,1 delen per miljoen te detecteren. ICLED's zijn een nieuw type LED met een hoger vermogen die licht uitstraalt op mid-infrarood (IR) golflengten, waarmee veel chemicaliën kunnen worden gemeten.

"We hopen dat dit onderzoek uiteindelijk de deur zal openen naar goedkope, nauwkeurige en gevoelige methaanmetingen, " zei Nathan Li, eerste auteur van het artikel. "Deze sensoren kunnen worden gebruikt om de methaanemissies van vee en melkveebedrijven beter te begrijpen en om de klimaatcrisis nauwkeuriger en diepgaander te kunnen volgen."

Een goedkopere sensor bouwen

Op laser gebaseerde sensoren zijn momenteel de gouden standaard voor methaandetectie, maar ze kosten tussen de USD 10, 000 en 100, 000 elk. Een sensornetwerk dat lekkages op een stortplaats detecteert, petrochemische faciliteit, afvalwaterzuiveringsinstallatie of boerderij zou onbetaalbaar zijn om te implementeren met behulp van op laser gebaseerde sensoren.

Hoewel methaandetectie is aangetoond met mid-IR-LED's, prestaties zijn beperkt door de lage lichtintensiteit die wordt gegenereerd door beschikbare apparaten. Om de gevoeligheid substantieel te verbeteren en een praktisch systeem te ontwikkelen voor het monitoren van methaan, de onderzoekers gebruikten een nieuwe ICLED ontwikkeld door het team van Jerry Meyer van het U.S. Naval Research Laboratory.

"De ICLED's die we hebben ontwikkeld, stoten ongeveer tien keer meer vermogen uit dan commercieel verkrijgbare mid-IR-LED's hadden gegenereerd, en kan mogelijk in massa worden geproduceerd, " aldus Meyer. "Hierdoor kunnen op ICLED gebaseerde sensoren mogelijk worden die minder dan USD 100 per sensor kosten."

Om methaan te meten, de nieuwe sensor meet 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, de onderzoekers stuurden het infraroodlicht van de krachtige ICLED door een 1 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.

"Spiegels worden vaak gebruikt om licht meerdere keren heen en weer te kaatsen om de sensorgevoeligheid te vergroten, maar kunnen omvangrijk zijn en nauwkeurige uitlijning vereisen, " zei Li. "Holle kernvezels zijn compact, vereisen lage volumes meetgas en zijn mechanisch flexibel."

Meten tot op laser gebaseerde sensoren

Om de nieuwe sensor te testen, de onderzoekers lieten 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 een uitstekende overeenkomst vertoonde met zowel gekalibreerde standaarden als de op laser gebaseerde sensor.

"Dit nauwkeurigheidsniveau is voldoende om emissies in de buurt van bronnen van methaanvervuiling te monitoren, " zei Li. "Een reeks van deze sensoren zou kunnen worden geïnstalleerd om methaanemissies te meten in grote faciliteiten, waardoor operators betaalbaar en snel lekken kunnen detecteren en verminderen."

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 de luchtvochtigheid en temperatuur het systeem kunnen beïnvloeden. Omdat de meeste broeikasgassen, en vele andere chemicaliën, kan worden geïdentificeerd met behulp van mid-IR-licht, de methaansensor kan ook worden aangepast om andere belangrijke gassen te detecteren.