El proceso de extraer gas natural de la tierra o transportarlo a través de tuberías puede liberar metano a la atmósfera. Metano, el componente principal del gas natural, es un gas de efecto invernadero con un potencial de calentamiento aproximadamente 25 veces mayor que el dióxido de carbono, haciéndolo muy eficiente para atrapar la energía térmica atmosférica. Un nuevo espectrómetro de metano basado en chips, que es más pequeño que una moneda de diez centavos, Algún día podría facilitar el monitoreo de la eficiencia y las fugas en áreas extensas.

Científicos del Centro de Investigación IBM Thomas J. Watson en Yorktown Heights, NUEVA YORK, desarrolló el nuevo espectrómetro de metano, que es más pequeño que los espectrómetros estándar actuales y más económico de fabricar. En Optica , La revista de la Optical Society para la investigación de alto impacto, los investigadores detallan el nuevo espectrómetro y muestran que puede detectar metano en concentraciones tan bajas como 100 partes por millón.

Bajo mantenimiento, alto impacto

El espectrómetro se basa en tecnología fotónica de silicio, lo que significa que es un dispositivo óptico hecho de silicio, el material utilizado para fabricar chips de computadora. Debido a que los mismos métodos de fabricación de alto volumen utilizados para chips de computadora se pueden aplicar para fabricar el espectrómetro de metano basado en chips, el espectrómetro junto con una carcasa y una batería o fuente de energía solar puede costar tan solo unos pocos cientos de dólares si se produce en grandes cantidades.

"En comparación con el costo de decenas de miles de dólares de los sensores ópticos de detección de metano disponibles comercialmente en la actualidad, la fabricación en volumen se traduciría en una propuesta de valor significativa para el espectrómetro de chip, "dijo William Green, líder del equipo de investigación de IBM. "Es más, sin partes móviles y sin requisitos fundamentales para un control preciso de la temperatura, este tipo de sensor podría funcionar durante años sin apenas mantenimiento ".

Tan bajo costo, Los espectrómetros robustos podrían conducir a nuevas y emocionantes aplicaciones. Por ejemplo, el equipo de IBM está trabajando con socios de la industria del petróleo y el gas en un proyecto que utilizaría espectrómetros para detectar fugas de metano, lo que ahorra a las empresas el tiempo y el dinero necesarios para tratar de encontrar y reparar fugas mediante la inspección en persona de miles de sitios.

"Durante la extracción y distribución de gas natural, el metano puede filtrarse al aire cuando el equipo del pozo no funciona correctamente, las válvulas se atascan, o hay una grieta en la tubería, ", dijo Green." Estamos desarrollando una forma de utilizar este espectrómetro en un chip para crear una red de sensores que podrían distribuirse en una plataforma de pozo, por ejemplo. Los datos de estos sensores se procesarían con el software de análisis físico de IBM para identificar automáticamente la ubicación de una fuga y cuantificar la magnitud de la fuga ".

El metano es un gas traza, la clasificación dada a los gases que constituyen menos del 1 por ciento del volumen de la atmósfera terrestre. Aunque los investigadores demostraron la detección de metano, se podría utilizar el mismo enfoque para detectar la presencia de otros gases traza individuales. También podría usarse para detectar múltiples gases simultáneamente.

"Nuestra visión a largo plazo es incorporar este tipo de sensores en el hogar y en las cosas que la gente usa todos los días, como sus teléfonos celulares o vehículos. Podrían ser útiles para detectar la contaminación, niveles peligrosos de monóxido de carbono u otras moléculas de interés, "dijo Eric Zhang, miembro del equipo de investigación. "Debido a que este espectrómetro ofrece una plataforma para la detección de múltiples especies, también podría usarse algún día para monitorear la salud a través del análisis de la respiración ".

Reducir el espectrómetro

El nuevo dispositivo utiliza un enfoque conocido como espectroscopia de absorción, que requiere luz láser en la longitud de onda absorbida únicamente por la molécula que se mide. En una configuración de espectroscopia de absorción tradicional, el láser viaja por el aire, o espacio libre, hasta que llega a un detector. La medición de la luz que llega al detector revela cuánta luz fue absorbida por las moléculas de interés en el aire y se puede utilizar para calcular la concentración de ellas presentes.

El nuevo sistema utiliza un enfoque similar, pero en lugar de una configuración de espacio libre, el láser viaja a través de una estrecha guía de ondas de silicio que sigue un patrón serpenteante de 10 centímetros de largo en la parte superior de un chip de 16 milímetros cuadrados. Parte de la luz queda atrapada dentro de la guía de ondas, mientras que aproximadamente el 25 por ciento de la luz se extiende fuera del silicio hacia el aire ambiente. donde puede interactuar con las moléculas de gas traza que pasan cerca de la guía de ondas del sensor. Los investigadores utilizaron luz láser infrarroja cercana (longitud de onda de 1650 nanómetros) para la detección de metano.

Para aumentar la sensibilidad del dispositivo, los investigadores midieron y controlaron cuidadosamente los factores que contribuyen al ruido y a las señales de absorción falsas, afinó el diseño del espectrómetro y determinó los parámetros geométricos de la guía de ondas que producirían resultados favorables.

Comparación lado a lado

Para comparar el rendimiento del nuevo espectrómetro con el de un espectrómetro de espacio libre estándar, colocaron los dispositivos en una cámara ambiental y liberaron concentraciones controladas de metano. Los investigadores encontraron que el espectrómetro basado en chips proporcionaba una precisión a la par con el sensor de espacio libre a pesar de tener un 75 por ciento menos de luz interactuando con el aire en comparación con el diseño de espacio libre. Es más, la sensibilidad fundamental del sensor de chip se cuantificó midiendo el cambio más pequeño discernible en la concentración de metano, mostrando un rendimiento comparable al de los espectrómetros de espacio libre desarrollados en otros laboratorios.

"Aunque los sistemas fotónicos de silicio, especialmente aquellos que utilizan cambios en el índice de refracción para la detección, se han explorado anteriormente, la parte innovadora de nuestro trabajo fue utilizar este tipo de sistema para detectar señales de absorción muy débiles de pequeñas concentraciones de metano, y nuestro análisis exhaustivo del ruido y los límites mínimos de detección de nuestro chip sensor, "dijo Zhang.

La versión actual del espectrómetro requiere luz para entrar y salir del chip a través de fibras ópticas. Sin embargo, los investigadores están trabajando para incorporar la fuente de luz y los detectores en el chip, lo que crearía un dispositivo esencialmente eléctrico sin necesidad de conexiones de fibra. A diferencia de los sensores de espacio libre actuales, el chip no requiere una muestra especial o preparación óptica. El próximo año, planean comenzar a probar los espectrómetros en el campo colocándolos en una red más grande que incluye otros sensores listos para usar.

"Nuestro trabajo demuestra que todo el conocimiento que hay detrás de la fabricación de fotónica de silicio, embalaje, y el diseño de componentes se puede llevar al espacio del sensor óptico, para construir fabricados de gran volumen y, en principio, sensores de bajo costo, permitiendo en última instancia un conjunto completamente nuevo de aplicaciones para esta tecnología, "dijo Green.