El metano es menos frecuente en la atmósfera que el dióxido de carbono (CO2), otro gas de efecto invernadero, pero presenta desafíos más difíciles para los investigadores que intentan estudiarlo.

La mayoría de los productores de CO2 pueden estimar fácilmente su huella de carbono, lo que elimina la necesidad de realizar un seguimiento minucioso. Por ejemplo, las plantas de energía que queman combustibles fósiles saben, con un alto grado de precisión, cuánto CO2 producen sus operaciones. Es más, las fuentes de CO2 son fáciles de precisar. El CO2 producido al quemar carbón en un horno se expulsa por la chimenea adjunta.

Emisiones de metano, por el contrario, son más difíciles de cuantificar, en parte porque provienen de fuentes como tuberías con fugas que transportan gas natural, fermentar materia vegetal dentro de los estómagos del ganado, y basura en descomposición en vertederos. Los investigadores consideran que estas fuentes son "desordenadas" porque numerosas variables gobiernan la cantidad de metano que liberarán. y donde. Por ejemplo, la cantidad de metano producido por la descomposición de la basura en un relleno sanitario depende del tipo de material en el relleno sanitario y de las condiciones ambientales locales. Más lejos, la fuente de las emisiones puede ser difícil de precisar dada la gran superficie que puede cubrir un vertedero.

"El metano es particularmente problemático, "dice Paul Wennberg, el profesor R. Stanton Avery de Química Atmosférica y Ciencias e Ingeniería Ambientales en Caltech.

Wennberg, quien también es el director del Centro Ronald y Maxine Linde de Ciencias Ambientales Globales, está trabajando con colegas de todo el Instituto, científicos e ingenieros por igual, para estudiar el metano y sus efectos en el mundo y para ser pioneros en las herramientas y técnicas necesarias para identificar, pista, y caracterizar el gas y sus fuentes.

Huellas digitales de metano

Una molécula de metano está formada por un átomo de carbono rodeado por cuatro átomos de hidrógeno. Sin embargo, no todo el metano es igual. Los elementos suelen tener múltiples formas isotópicas. Los isótopos son átomos del mismo elemento que difieren en el número de neutrones en sus núcleos. Carbón, por ejemplo, tiene tres isótopos:carbono-12, carbono-13, y el carbono-14 radiactivo. Carbono-12, con seis neutrones además de seis protones, representa casi el 99 por ciento de los átomos de carbono. El C-13, mucho menos frecuente, tiene siete neutrones; C-14, ocho. Igualmente, el hidrógeno se presenta en tres formas isotópicas. Con mucho, el más común, que representan el 99,98 por ciento de los átomos de hidrógeno, es hidrógeno-1, o protio, que tiene un solo protón. Hidrógeno-2, o deuterio, tiene un protón y un neutrón; hidrógeno radiactivo-3, tritio tiene un protón y dos neutrones. Debido a que los neutrones tienen masa, cada uno de estos isótopos tiene un peso diferente.

Una molécula de metano dada, luego, puede tener cualquiera de los tres isótopos de carbono y varias combinaciones de isótopos de hidrógeno, lo que da a varias moléculas de metano pesos diferentes. La determinación de esta composición isotópica crea una descripción cada vez más granular de una molécula de metano determinada, dice John Eiler, Robert P. Sharp, profesor de geología de Caltech y profesor de geoquímica.

"Una buena metáfora es una huella digital, "Dice Eiler." Si sólo pudiera observar una o dos formas de una molécula, sería como si su huella digital tuviera sólo una o dos líneas. Si ese fuera el caso, ningún tribunal del mundo lo condenaría por ver una o dos líneas onduladas en algo que robó ". Con los cientos de líneas con patrones únicos de una huella digital completa, sin embargo, un tribunal podría pensar de manera diferente.

El laboratorio de Eiler utiliza un espectrómetro de masas para obtener esta huella digital completa, tamizando los iones en función del peso y luego cuantificando los diferentes isótopos que encuentran. El equipo utiliza esta técnica para explorar una variedad de temas, desde el ciclo del hidrógeno a través del interior de la Tierra hasta los ciclos geoquímicos del agua en cuerpos planetarios distintos de la Tierra.

Con huellas isotópicas de metano, Eiler puede determinar el origen de una muestra determinada, por ejemplo, comparando la proporción de carbono 13 a carbono 12 en partes por mil, una figura conocida como δ13C, pronunciado "delta trece C." Cuanto menor sea el número, cuanto más carbono-12, y por lo tanto, cuanto más ligera es la muestra. Por ejemplo, El metano isotópicamente ligero generalmente proviene de materia vegetal en descomposición, mientras que el metano liberado de fuentes geológicas tiende a ser más pesado.

Comprender las fuentes de metano ayuda a los investigadores a desarrollar un conocimiento más profundo de los procesos que generan metano, además de ayudar a identificar las fuentes de metano en la atmósfera y rastrear las fuentes subterráneas de gas natural combustible.

Localización precisa del metano

Por supuesto, para caracterizar el metano, primero tienes que poder encontrarlo. En un estudio de prueba de concepto realizado el verano pasado, Christian Frankenberg, quien tiene un nombramiento conjunto como profesor asociado de ciencias e ingeniería ambientales en Caltech y científico investigador en JPL, dirigió un esfuerzo para localizar columnas de metano en la región de Four Corners de los Estados Unidos utilizando aviones de bajo vuelo.

El punto caliente de metano en la región de Four Corners fue detectado inicialmente por Eric Adam Kort de la Universidad de Michigan. junto con Frankenberg y sus colegas, utilizando observaciones realizadas por un satélite europeo, SCIAMACHY. Siguiendo esa observación, una colaboración de investigadores de JPL / NASA se unió a la campaña Twin Otter Projects Defining Oil / Gas Well EmissioNs (TOPDOWN) para sondear la región con dos aviones volando de uno a tres kilómetros sobre el suelo. Los aviones estaban equipados con espectrómetros térmicos y de onda corta a infrarrojo cercano. Estos instrumentos se utilizan para identificar y cuantificar metano y otras moléculas.

Los espectrómetros se desarrollaron originalmente para estudiar las propiedades químicas y físicas de la superficie de la tierra (rocas, tierra, y vegetación) de forma remota. Sin embargo, demostraron ser lo suficientemente sensibles como para localizar fuentes de metano a menos de tres metros.

"Básicamente usamos mal los espectrómetros para lo que nunca debieron hacer, ", dice Frankenberg." Es una coincidencia realmente afortunada que funcionen ".

En el estudio de Four Corners se detectaron más de 250 fuentes de metano individuales. El diez por ciento de esas fuentes, que resultaron ser principalmente gasoductos con fugas de gas natural, fueron responsables de la mitad de las emisiones. Identificar y rastrear estas fugas, Frankenberg dice:es un beneficio mutuo tanto para el medio ambiente como para la industria energética, ya que frenar las fugas disminuirá la emisión de gases de efecto invernadero y reducirá el drenaje de las ganancias de los proveedores de energía.

El estudio de Frankenberg mostró que las columnas de metano se pueden detectar mediante exploraciones aéreas. Su trabajo, publicado en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias el 15 de agosto abre la puerta a futuros estudios aéreos de metano.

"Lo que queremos en el futuro es una resolución mejorada. Líneas de absorción más estrechas y un enfoque geográfico más estricto, "lo que ayudaría a precisar la ubicación y la huella dactilar isotópica del metano, él dice.

La próxima generación

A la vanguardia de la tecnología espectroscópica se encuentra la espectroscopia de doble peine.

La espectroscopia se basa en el hecho de que los átomos absorben y emiten luz en diferentes longitudes de onda.

La espectroscopia de doble peine reemplaza las herramientas convencionales utilizadas para medir estas diferencias, como interferómetros, con dos flujos de pulsos ópticos, lo que ofrece a los usuarios información más detallada que la espectroscopia tradicional.

El componente clave de los sistemas de doble peine es el dispositivo necesario para generar esos flujos de pulsos ópticos, que actualmente es voluminoso y costoso y, por lo tanto, no es el tipo de herramienta que se puede volar de manera asequible en aviones para encuestas como TOPDOWN.

Entra Kerry Vahala, el profesor Ted and Ginger Jenkins de ciencia y tecnología de la información y profesor de física aplicada, que ha allanado el camino para la miniaturización de espectrómetros de alta resolución.

Vahala había desarrollado previamente un resonador óptico circular capaz de generar y almacenar pulsos de luz llamados solitones, ondas localizadas que actúan como partículas. Mientras los solitones viajan por el espacio, mantienen su forma en lugar de dispersarse como otras olas. Los solitones corren alrededor del resonador circular, activando un pulso de luz emitido cada vez que pasan por una determinada ubicación en el circuito.

Como tal, Vahala tenía los medios para crear múltiples generadores de pulsos ópticos, cada uno del tamaño de un microchip.

"Idealmente, Se podría implementar en el campo un sistema de espectroscopía de doble peine portátil. Sin embargo, Los sistemas actuales son demasiado grandes y voluminosos. Así que reemplazamos el generador de pulso óptico tradicional por un sistema basado en solitones que se puede miniaturizar, " él dice.

El nuevo sistema basado en solitones de Vahala se dio a conocer en la revista Ciencias el 9 de octubre, y es la base de una nueva colaboración con Frankenberg para aplicar el espectrómetro de doble peine al seguimiento y análisis de metano.

"Esto es lo que hacemos en Caltech, ", dice Wennberg sobre el nuevo proyecto." Unimos a investigadores de la ingeniería y las ciencias y usamos su experiencia dispar para abordar grandes problemas desde nuevos ángulos ".