Forskare från National Institute of Standards and Technology (NIST) och University of Colorado Boulder har visat en ny mobil, markbaserat system som kan skanna och kartlägga atmosfäriska gasränder över kilometersträckor.

Systemet använder ett ögonsäkert laserinstrument för att skicka ljus som "kammar" luften till en flygande multicopter och analyserar färgerna av ljus som absorberas längs vägen för att identifiera gassignaturer i nästan realtid.

"Kamma och koppla" -systemet kan vara användbart för att söka efter läckor i olje- och gasfält, studera blandningen av autoutsläpp och andra gaser i gränsen mellan jordens yta och nästa lager av atmosfären, eller, med planerade uppgraderingar, upptäcka föroreningar eller kemiska hot och deras källor.

Som beskrivs i Optica , forskare använde kammarljuset för att mäta koldioxid, metan och vattenånga-växthusgaser som värmer atmosfären-längs en 2 kilometer lång rundresa mellan ett teleskop på ett NIST Boulder-laboratorietak och en retroreflektor monterad på en liten, obemannade flygplan. Multikoptern svävade på utvalda platser för att mäta gaser längs en horisontell väg och på olika höjder upp till 120 meter (400 fot). Flyg över högre höjd är tekniskt genomförbart men för närvarande begränsat av obemannade flygregler.

Resultaten var ännu bättre än NIST:s 2014-test av laserkammningssystemet utan multicopter. Till exempel, det nya systemet mätte koldioxidhalter på 1 del per miljon på bara 60 sekunder, jämfört med 200 sekunder tidigare.

"Nu kan vi göra samma slags atmosfäriska mätningar, med lite högre känslighet, med ett system som vi kan peka på vart vi vill, "NIST fysisk kemist Kevin Cossel sa." Tekniken och känsligheten är lovande. "

Laserinstrumentet använder två frekvenskammar - mätverktyg som består av tusentals exakta frekvenser eller ljusfärger, som tänderna på en hårkam - för att identifiera gaser baserat på mängden specifika ljusfärger som absorberas. 2014 års test visade att dubbelkammstekniken exakt kan, reproducerbart avkänna spårgaser i atmosfären. I det arbetet, kameljuset som skickades av teleskopet returnerades från en spegel monterad på ett närliggande berg. En reflektor behövs för att återföra ljuset för att förstärka signalen innan analys av en detektor vid teleskopet.

Den senaste versionen av instrumentet har flera uppgraderingar, inklusive mer kraft, ett förbättrat teleskop och en lätt retroreflektor (en specialiserad 3D-spegel). NIST -forskare gjorde också kamsystemet mer kompakt; det är nu ner till storleken på en köksspis, så att ett fordon kunde transportera det. Dessa förändringar, förutom användning av den anpassade multicoptern, göra hela systemet både mer kraftfullt och mobilt.

För all sin laserkunskap, NIST -forskare fann att de behövde samarbeta med obemannade flygsexperter på University of Colorado's Integrated Remote and In Situ Sensing (IRISS) -team.

"Att flyga med dessa saker visade sig vara utmanande, "NIST:s Nathan Newbury förklarade." Det är inte så lätt att flyga multicopters-de måste flygas av någon skicklig, annars går saken ur kurs, eller värre, kraschar. Alla som har köpt eller fått en för skojs skull vet detta. "

Multikoptern som användes i experimentet var utrustad med en retroreflektor samt instrument för att mäta plats, temperatur och lufttryck, och väglängd. Teleskopsystemet måste spåra retroreflektorns rörelse när multikoptern rör sig och svävar. Hela systemet hämtar gaskoncentrationer var 10:e sekund.

Kam- och kopparsystemet kompletterar konventionell teknik. Mobila markbaserade punktsensorer kan göra regionala kartor men måste köras i ett fordon eller flyga på ett plan. Satellitinstrument kan känna av atmosfäriska gaser på distans med global täckning men prova specifika regioner på jorden sällan och med bara grov rumslig upplösning.

Inom en snar framtid, forskare planerar att använda flygkammsystemet för att studera blandning i jordens gränslager, en stor källa till osäkerhet i atmosfäriska modeller, och att söka efter utsläpp från olje- och gasanläggningar, vilket kan leda till bildning av ozon.

"Kamma och koppla" -systemet detekterar för närvarande gassignaturer i spektrumets nära-infraröda band. NIST-forskare hoppas kunna utvidga denna täckning till mitten av infrarött, vilket skulle öka antalet detekterbara gaser och möjliggöra applikationer som att söka efter kemiska faror och hot. Laserljus i båda bandet skadar inte ögonen, vilket innebär att det är säkert för användare och åskådare. Dessutom, längre flygtider och banlängder bör vara möjliga allteftersom teknik för obemannade flygplan går framåt. NIST -gruppen har redan visat att liknande system kan fungera över mycket längre banlängder på upp till 12 km (7,5 mil) i en rundresa.