Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har utvecklat ett laboratorieinstrument som kan mäta hur mycket av kolet i många kolhaltiga material som härrörde från fossila bränslen. Detta kommer att öppna vägen för nya metoder inom biobränsle- och bioplastindustrin, i vetenskaplig forskning, och miljöövervakning. Bland annat, det kommer att göra det möjligt för forskare att mäta hur mycket av koldioxiden (CO ₂ ) i atmosfären kom från förbränning av fossila bränslen, och att uppskatta utsläppen av fossila bränslen i ett område så litet som en stad eller lika stort som en kontinent.

Detta är möjligt eftersom kolatomer förekommer i tunga och lätta former, eller isotoper, och mätning av de relativa mängderna av varje kan avslöja källan till kolet. Att använda kolisotoper på detta sätt är ingen ny idé, men det kräver extremt exakta – och dyra – mätningar. Det nya instrumentet, utvecklat av NIST -kemisterna Adam Fleisher och David Long och baserat på en teknik som kallas cavity ringdown spectroscopy (CRDS), lovar att dramatiskt minska kostnaden för dessa mätningar. De beskrev instrumentets prestanda i Journal of Physical Chemistry Letters .

"Mätning av kolisotoper är en extremt användbar teknik, men tills nu, det har funnits begränsad användning på grund av kostnaden, " sa Long. "Att sänka kostnaderna kommer att öppna vägen för nya applikationer, speciellt de som kräver att ett stort antal prover testas."

Nyckeln till dessa mätningar är kol-14, en radioaktiv (men ofarlig) isotop av kol som bildas i den övre atmosfären. Det kol-14 hittar sin väg in i allt levande. Till skillnad från vanligt kol, kol-14 är instabil, med en halveringstid på 5, 730 år. När levande saker dör, de slutar införliva kol i sina kroppar, och deras kol-14 börjar sönderfalla bort.

Forskare kan beräkna hur länge sedan något dog genom att mäta hur mycket kol-14 som finns i dess rester. Den tekniken kallas koldatering, och forskare använder det för att datera saker som Neanderthal -ben och gamla växtfibrer.

Fossila bränslen är också rester av levande saker, främst växter som dog för hundratals miljoner år sedan. Nästan allt deras kol-14 sönderföll för evigheter sedan, så allt som härrör från dem märks av frånvaron av mätbara mängder kol-14.

Men kol-14 är extremt sällsynt, och att använda den för att identifiera fossila bränslen, forskare måste kunna mäta det vid koncentrationer så låga som 1 del på 10 biljoner. Det motsvarar ett enda sandkorn i 60 dumprar fulla med grejerna.

För att mäta så låga koncentrationer, du behöver en extremt känslig mätteknik, och en sådan teknik finns redan. Arkeologer har förlitat sig på det i decennier. Men den tekniken kräver en partikelaccelerator för att separera isotoperna (det tyngre kol-14 accelererar långsammare än vardagligt kol-12), tillsammans med en anläggning för att hysa den och ett team av doktorer för att driva den.

CRDS-instrumentet som Fleisher och Long har utvecklat kan sitta på en laboratoriebänk och är relativt billigt att använda.

CRDS-instrument analyserar gaser genom att detektera ljusets våglängder de absorberar. Till exempel, CO ₂ som innehåller kol-14 - så kallad tung CO ₂ -absorberar en något annorlunda våglängd än vanlig CO ₂ .

För att mäta hur mycket tung CO ₂ du har en CO ₂ prov, du injicerar först provet i instrumentets mäthålighet ("C" i CRDS), vilket är ett rör med speglar inuti i vardera änden. Du ställer sedan in en laser till den exakta våglängden som bara tung CO ₂ absorberar och skjuter en skur av det in i hålrummet. När laserljuset studsar mellan speglarna, en del av dess energi absorberas av gasen. Ju större absorption, desto högre koncentration av tung CO ₂ .

För att uppnå den känslighet som krävs, Fleisher och Long förbättrade befintlig CRDS-teknik genom att konstruera ett system som kyler hålrummet till en enhetlig minus 55 grader Celsius och minimerar temperaturfluktuationer som skulle kasta av sig mätningen. Att göra kaviteten väldigt kall gör att deras instrument kan upptäcka mycket svaga signaler om ljusabsorption, på samma sätt som du kanske kan höra en nål falla om du gjorde ett rum extremt tyst.

Denna och andra förbättringar ökade instrumentets känslighet tillräckligt för exakt koldatering.

För att testa biobränslen och bioplaster, du skulle först bränna dessa material, samla sedan upp den resulterande CO ₂ för analys. Detta skulle tillåta dig att testa en bränsleblandning för att avgöra vilken del av den som är biobränsle. Inom flygbranschen, till exempel, detta skulle vara användbart eftersom vissa länder kräver att flygbränslen inkluderar en viss procentandel av biobränsle. Sådana tester kan också användas för att verifiera att bioplaster, som säljs för en premie, innehåller inte petroleumhärledda föreningar.

För att uppskatta utsläppen av fossila bränslen i ett geografiskt område, du skulle samla många luftprover över det området och analysera atmosfärens CO ₂ i dessa prover. Områden med höga utsläpp av fossila bränslen, som städer och industriområden, kommer att ha under normala koncentrationer av tung CO ₂ .

"Fossila bränsleutsläpp späder ut koncentrationen av tung CO ₂ i luften, "sa Fleisher." Om vi ​​kan mäta den koncentrationen exakt efter att den har spätts ut, vi kan beräkna hur mycket fossila bränsleutsläpp som finns i blandningen. "

En rapport från National Academy of Sciences uppskattade att 10, 000 prover per år, samlas in på noggrant utvalda platser runt om i USA, skulle räcka för att uppskatta nationella utsläpp av fossila bränslen till inom 10 procent av det verkliga värdet. Ett sådant mätsystem kan öka tillförlitligheten i nationella utsläppsuppskattningar. Detta skulle vara särskilt användbart i delar av världen där högkvalitativa utsläppsdata inte är lättillgängliga.

"Det finns ett behov av den här typen av mätningar i många branscher, ", sa Fleisher. "Vi har visat en väg för att möta detta behov på ett kostnadseffektivt sätt."