Forskare har utvecklat en ny sensor som kan möjliggöra praktisk och billig detektering av låga koncentrationer av metangas. Att mäta metanutsläpp och läckage är viktigt för en mängd olika industrier eftersom gasen bidrar till global uppvärmning och luftföroreningar.

"Jordbruks- och avfallsindustrin släpper ut betydande mängder metan, sa Mark Zondlo, ledare för Princeton Universitys forskningsteam som utvecklade sensorn. "Att upptäcka metanläckor är också avgörande för olje- och gasindustrin av både miljömässiga och ekonomiska skäl eftersom naturgas huvudsakligen består av metan."

I tidskriften The Optical Society (OSA). Optik Express , forskare från Princeton University och U.S. Naval Research Laboratory demonstrerar sin nya gassensor, som använder en interband kaskadljusemitterande enhet (ICLED) för att detektera metankoncentrationer så låga som 0,1 ppm. ICLEDs är en ny typ av högre effekt LED som avger ljus vid medelinfraröda (IR) våglängder, som kan användas för att mäta många kemikalier.

"Vi hoppas att denna forskning så småningom kommer att öppna dörren till låga kostnader, noggranna och känsliga metanmätningar, sa Nathan Li, tidningens första författare. "Dessa sensorer skulle kunna användas för att bättre förstå metanutsläpp från boskap och mjölkgårdar och för att möjliggöra mer exakt och genomgripande övervakning av klimatkrisen."

Bygga en billigare sensor

Laserbaserade sensorer är för närvarande guldstandarden för metandetektion, men de kostar mellan USD 10, 000 och 100, 000 styck. Ett sensornätverk som upptäcker läckor över en soptipp, petrokemisk anläggning, avloppsreningsverk eller gård skulle vara oöverkomligt dyrt att implementera med laserbaserade sensorer.

Även om metanavkänning har visats med mid-IR lysdioder, prestanda har begränsats av de låga ljusintensiteterna som genereras av tillgängliga enheter. För att avsevärt förbättra känsligheten och utveckla ett praktiskt system för övervakning av metan, forskarna använde en ny ICLED utvecklad av Jerry Meyers team vid U.S. Naval Research Laboratory.

"ICLED:erna vi utvecklade avger ungefär tio gånger mer ström än vad kommersiellt tillgängliga mid-IR-lysdioder hade genererat, och potentiellt kan masstillverkas, ", sa Meyer. "Detta kan möjliggöra ICLED-baserade sensorer som kostar mindre än 100 USD per sensor."

För att mäta metan, den nya sensorn mäter infrarött ljus som överförs genom ren luft utan metan och jämför det med överföring genom luft som innehåller metan. För att öka känsligheten, forskarna skickade det infraröda ljuset från högeffekts ICLED genom en 1 meter lång ihålig fiber som innehöll ett luftprov. Fiberns insida är belagd med silver, vilket gör att ljuset reflekteras från dess ytor när det färdas ner i fibern till fotodetektorn i andra änden. Detta gör att ljuset kan interagera med ytterligare molekyler av metan i luften vilket resulterar i högre absorption av ljuset.

"Speglar används vanligtvis för att studsa ljus fram och tillbaka flera gånger för att öka sensorns känslighet men kan vara skrymmande och kräva exakt inriktning, " sa Li. "Ihåliga kärnfibrer är kompakta, kräver låga volymer provgas och är mekaniskt flexibla."

Mätning upp till laserbaserade sensorer

För att testa den nya sensorn, forskarna flödade kända koncentrationer av metan in i den ihåliga kärnfibern och jämförde den infraröda överföringen av proverna med toppmoderna laserbaserade sensorer. ICLED-sensorn kunde detektera koncentrationer så låga som 0,1 delar per miljon samtidigt som den visade utmärkt överensstämmelse med både kalibrerade standarder och den laserbaserade sensorn.

"Denna precisionsnivå är tillräcklig för att övervaka utsläpp nära källor till metanförorening, ", sa Li. "En uppsättning av dessa sensorer kan installeras för att mäta metanutsläpp vid stora anläggningar, gör det möjligt för operatörer att snabbt och överkomligt upptäcka läckor och mildra dem."

Forskarna planerar att förbättra designen av sensorn för att göra den praktisk för långsiktiga fältmätningar genom att undersöka sätt att öka den ihåliga fiberns mekaniska stabilitet. De kommer också att studera hur extrema väderförhållanden och förändringar i omgivande luftfuktighet och temperatur kan påverka systemet. Eftersom de flesta växthusgaser, och många andra kemikalier, kan identifieras genom att använda mid-IR-ljus, Metansensorn skulle också kunna anpassas för att detektera andra viktiga gaser.