Processen att utvinna naturgas från jorden eller transportera den genom rörledningar kan släppa ut metan i atmosfären. Metan, den primära komponenten i naturgas, är en växthusgas med en uppvärmningspotential som är ungefär 25 gånger större än koldioxid, vilket gör den mycket effektiv på att fånga atmosfärisk värmeenergi. En ny chipbaserad metanspektrometer, som är mindre än en krona, kan en dag göra det lättare att övervaka effektivitet och läckor över stora ytor.

Forskare från IBM Thomas J. Watson Research Center i Yorktown Heights, NY, utvecklade den nya metanspektrometern, som är mindre än dagens standardspektrometrar och mer ekonomisk att tillverka. I Optica , The Optical Societys tidskrift för forskning med hög effekt, forskarna beskriver den nya spektrometern och visar att den kan detektera metan i koncentrationer så låga som 100 ppm.

Lågt underhåll, stor påverkan

Spektrometern är baserad på kiselfotonikteknologi, vilket betyder att det är en optisk enhet gjord av kisel, materialet som används för att tillverka datorchips. Eftersom samma tillverkningsmetoder för stora volymer som används för datorchips kan användas för att göra den chipbaserade metanspektrometern, spektrometern tillsammans med ett hus och ett batteri eller solenergikälla kan kosta så lite som några hundra dollar om de produceras i stora mängder.

"Jämfört med en kostnad på tiotusentals dollar för dagens kommersiellt tillgängliga optiska sensorer för metandetektering, volymtillverkning skulle översättas till ett betydande värdeförslag för chipspektrometern, sa William Green, ledare för IBMs forskningsteam. "Dessutom, utan rörliga delar och inga grundläggande krav på exakt temperaturkontroll, den här typen av sensorer skulle kunna fungera i åratal nästan utan underhåll."

Så låg kostnad, robusta spektrometrar kan leda till spännande nya tillämpningar. Till exempel, IBM-teamet arbetar med partners inom olje- och gasindustrin i ett projekt som skulle använda spektrometrarna för att upptäcka metanläckor, sparar tid och pengar för företag att försöka hitta och åtgärda läckor genom personlig inspektion av tusentals webbplatser.

"Under naturgasutvinning och distribution, metan kan läcka ut i luften när utrustning på brunnen inte fungerar, ventiler fastnar, eller så finns det en spricka i pipelinen, " sa Green. "Vi utvecklar ett sätt att använda denna spektrometer-på-ett-chip för att skapa ett nätverk av sensorer som kan distribueras över en brunnsplatta, till exempel. Data från dessa sensorer skulle bearbetas med IBMs fysiska analysmjukvara för att automatiskt fastställa platsen för en läcka samt kvantifiera läckans storlek."

Metan är en spårgas, klassificeringen som ges till gaser som utgör mindre än 1 procent av volymen av jordens atmosfär. Även om forskarna demonstrerade metandetektion, samma tillvägagångssätt skulle kunna användas för att känna av närvaron av andra individuella spårgaser. Den kan också användas för att detektera flera gaser samtidigt.

"Vår långsiktiga vision är att införliva dessa typer av sensorer i hemmet och saker som människor använder varje dag som sina mobiltelefoner eller fordon. De kan vara användbara för att upptäcka föroreningar, farliga kolmonoxidnivåer eller andra intressanta molekyler, sa Eric Zhang, en medlem av forskargruppen. "Eftersom den här spektrometern erbjuder en plattform för upptäckt av flera arter, det kan också en dag användas för hälsoövervakning genom andningsanalys."

Krymper spektrometern

Den nya enheten använder en metod som kallas absorptionsspektroskopi, vilket kräver laserljus vid den våglängd som absorberas unikt av molekylen som mäts. I en traditionell absorptionsspektroskopiuppställning, lasern färdas genom luften, eller ledigt utrymme, tills den når en detektor. Att mäta ljuset som når detektorn avslöjar hur mycket ljus som absorberades av molekylerna av intresse i luften och kan användas för att beräkna koncentrationen av dem närvarande.

Det nya systemet använder ett liknande tillvägagångssätt, men istället för en inställning av ledigt utrymme, lasern färdas genom en smal vågledare av kisel som följer ett 10 centimeter långt serpentinmönster ovanpå ett chip som mäter 16 kvadratmillimeter. En del av ljuset fångas inuti vågledaren medan cirka 25 procent av ljuset sträcker sig utanför kislet in i den omgivande luften, där den kan interagera med spårgasmolekyler som passerar nära sensorvågledaren. Forskarna använde nära infrarött laserljus (1650 nanometer våglängd) för metandetektion.

För att öka enhetens känslighet, utredarna noggrant uppmätta och kontrollerade faktorer som bidrar till brus och falska absorptionssignaler, finjusterade spektrometerns design och bestämde vågledargeometriska parametrar som skulle ge gynnsamma resultat.

Jämförelse sida vid sida

För att jämföra den nya spektrometerns prestanda med den för en standard fritt rymdspektrometer, de placerade enheterna i en miljökammare och släppte ut kontrollerade koncentrationer av metan. Forskarna fann att den chipbaserade spektrometern gav en noggrannhet på nivå med friutrymmessensorn trots att den hade 75 procent mindre ljus som interagerar med luften jämfört med designen med ledigt utrymme. Vidare, den grundläggande känsligheten hos chipsensorn kvantifierades genom att mäta den minsta märkbara förändringen i metankoncentration, uppvisar prestanda jämförbar med frirumsspektrometrar utvecklade i andra laboratorier.

"Även om kiselfotoniksystem - särskilt de som använder brytningsindexförändringar för avkänning - har utforskats tidigare, den innovativa delen av vårt arbete var att använda denna typ av system för att detektera mycket svaga absorptionssignaler från små koncentrationer av metan, och vår omfattande analys av brus- och lägsta detektionsgränser för vårt sensorchip, " sa Zhang.

Den nuvarande versionen av spektrometern kräver ljus för att komma in och ut ur chipet via optiska fibrer. Dock, forskarna arbetar med att införliva ljuskällan och detektorerna på chipet, vilket skulle skapa en väsentligen elektrisk anordning utan några fiberanslutningar som krävs. Till skillnad från nuvarande friutrymmessensorer, chippet kräver då inget speciellt prov eller optisk förberedelse. Nästa år, de planerar att börja fälttesta spektrometrarna genom att placera dem i ett större nätverk som inkluderar andra vanliga sensorer.

"Vårt arbete visar att all kunskap bakom kiselfotoniktillverkning, förpackning, och komponentdesign kan föras in i det optiska sensorutrymmet, att bygga högvolymtillverkade och, i princip, lågprissensorer, i slutändan möjliggör en helt ny uppsättning applikationer för denna teknik, sa Green.