Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado Boulder han demostrado un nuevo dispositivo móvil, sistema basado en tierra que podría escanear y mapear columnas de gas atmosférico a distancias de un kilómetro.

El sistema utiliza un instrumento láser seguro para los ojos para enviar luz que "peina" el aire a un multicóptero volador y analiza los colores de la luz absorbida a lo largo del camino para identificar firmas de gas casi en tiempo real.

El sistema "peine y helicóptero" puede ser útil para buscar fugas en campos de petróleo y gas, estudiar la mezcla de emisiones de automóviles y otros gases en el límite entre la superficie de la Tierra y la siguiente capa de la atmósfera, o, con actualizaciones planificadas, detectar contaminantes o amenazas químicas y sus fuentes.

Como se describe en Optica , los investigadores utilizaron la luz del peine para medir el dióxido de carbono, metano y vapor de agua (gases de efecto invernadero que calientan la atmósfera) a lo largo de una ruta de ida y vuelta de 2 kilómetros (1,24 millas) entre un telescopio en el techo de un laboratorio NIST Boulder y un retrorreflector montado en un pequeño, aviones no tripulados. El multicóptero revoloteó en lugares seleccionados para medir gases a lo largo de una trayectoria horizontal y en varias altitudes de hasta 120 metros (400 pies). Los vuelos a mayor altitud son técnicamente factibles, pero actualmente están limitados por las reglas de vuelo de vehículos aéreos no tripulados.

Los resultados fueron incluso mejores que la prueba de 2014 del NIST del sistema de peinado láser sin un multicóptero. Por ejemplo, el nuevo sistema midió niveles de dióxido de carbono de 1 parte por millón en solo 60 segundos, en comparación con los 200 segundos anteriores.

"Ahora podemos hacer el mismo tipo de mediciones atmosféricas, con un poco más de sensibilidad, con un sistema que podemos apuntar a donde queramos, Kevin Cossel, químico físico del NIST, dijo:"La tecnología y la sensibilidad son prometedoras".

El instrumento láser utiliza dos peines de frecuencia:herramientas de medición compuestas por miles de frecuencias precisas o colores de luz, como los dientes de un peine para el cabello, para identificar los gases en función de las cantidades de colores específicos de luz absorbida. La prueba de 2014 mostró que la técnica de doble peine puede, precisamente, detectan de forma reproducible los gases traza en la atmósfera. En ese trabajo, la luz de peine enviada por el telescopio fue devuelta por un espejo montado en una montaña cercana. Se necesita un reflector para devolver la luz para fortalecer la señal antes del análisis por un detector en el telescopio.

La última versión del instrumento presenta varias actualizaciones, incluyendo más poder, un telescopio mejorado y un retrorreflector ligero (un espejo 3-D especializado). Los investigadores del NIST también hicieron que el sistema de peine fuera más compacto; ahora tiene el tamaño de una estufa de cocina, para que un vehículo pudiera transportarlo. Estos cambios, además del uso del multicóptero personalizado, hacer que todo el sistema sea más potente y móvil.

A pesar de toda su experiencia en láser, Los científicos del NIST descubrieron que necesitaban colaborar con expertos en vuelos de aviones no tripulados del equipo de detección remota e in situ integrada (IRISS) de la Universidad de Colorado.

"Volar estas cosas resultó ser un desafío, ", Explicó Nathan Newbury del NIST." No es tan fácil volar en helicópteros múltiples, tienen que ser volados por alguien capacitado, o de lo contrario la cosa se desvía del rumbo, o peor, choques. Cualquiera que haya comprado o recibido uno por diversión lo sabe ".

El multicóptero utilizado en el experimento estaba equipado con un retrorreflector, así como con instrumentos para medir la ubicación, temperatura y presión del aire, y longitud del camino. El sistema del telescopio debe seguir el movimiento del retrorreflector a medida que el multicóptero se mueve y planea. Todo el sistema recupera las concentraciones de gas cada 10 segundos.

El sistema de peine y helicóptero complementa la tecnología convencional. Los sensores de puntos móviles basados ​​en tierra pueden hacer mapas regionales, pero deben manejarse en un vehículo o volar en un avión. Los instrumentos satelitales pueden detectar gases atmosféricos de forma remota con cobertura global, pero muestrean regiones específicas de la Tierra con poca frecuencia y solo con una resolución espacial aproximada.

En el futuro cercano, los investigadores planean utilizar el sistema de peine volador para estudiar la mezcla en la capa límite de la Tierra, una fuente importante de incertidumbre en los modelos atmosféricos, y buscar emisiones de instalaciones de petróleo y gas, que puede conducir a la formación de ozono.

El sistema de "peine y helicóptero" detecta actualmente firmas de gas en la banda del infrarrojo cercano del espectro. Los investigadores del NIST esperan extender esa cobertura al infrarrojo medio, lo que aumentaría el número de gases detectables y permitiría aplicaciones como el escaneo en busca de peligros y amenazas químicos. La luz láser en cualquiera de las bandas no dañará los ojos, lo que significa que es seguro para usuarios y transeúntes. Además, deberían ser posibles tiempos de vuelo y longitudes de trayectoria más largos a medida que avanza la tecnología de las aeronaves no tripuladas. El grupo NIST ya ha demostrado que sistemas similares pueden operar en trayectos mucho más largos de hasta 12 km (7,5 millas) en un viaje de ida y vuelta.