Los investigadores han desarrollado un nuevo sensor que podría permitir la detección práctica y de bajo costo de bajas concentraciones de gas metano. Medir las emisiones y fugas de metano es importante para una variedad de industrias porque el gas contribuye al calentamiento global y la contaminación del aire.

"Las industrias agrícolas y de residuos emiten cantidades significativas de metano, "dijo Mark Zondlo, líder del equipo de investigación de la Universidad de Princeton que desarrolló el sensor. "La detección de fugas de metano también es fundamental para la industria del petróleo y el gas por razones ambientales y económicas porque el gas natural está compuesto principalmente de metano".

En la revista The Optical Society (OSA) Óptica Express , investigadores de la Universidad de Princeton y el Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. demuestran su nuevo sensor de gas, que utiliza un dispositivo emisor de luz en cascada entre bandas (ICLED) para detectar concentraciones de metano tan bajas como 0,1 partes por millón. Los ICLED son un nuevo tipo de LED de mayor potencia que emite luz en longitudes de onda de infrarrojo medio (IR), que se puede utilizar para medir muchos productos químicos.

"Esperamos que esta investigación eventualmente abra la puerta a bajo costo, mediciones de metano precisas y sensibles, "dijo Nathan Li, primer autor del artículo. "Estos sensores podrían usarse para comprender mejor las emisiones de metano de las granjas ganaderas y lecheras y para permitir un monitoreo más preciso y generalizado de la crisis climática".

Construyendo un sensor menos costoso

Los sensores basados ​​en láser son actualmente el estándar de oro para la detección de metano, pero cuestan entre USD 10, 000 y 100, 000 cada uno. Una red de sensores que detecta fugas en un vertedero, instalación petroquímica, Una planta de tratamiento de aguas residuales o una granja sería prohibitivamente costosa de implementar utilizando sensores basados ​​en láser.

Aunque se ha demostrado la detección de metano con LED de infrarrojos medios, el rendimiento se ha visto limitado por las bajas intensidades de luz generadas por los dispositivos disponibles. Para mejorar sustancialmente la sensibilidad y desarrollar un sistema práctico para monitorear el metano, los investigadores utilizaron un nuevo ICLED desarrollado por el equipo de Jerry Meyer en el Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU.

"Los ICLED que desarrollamos emiten aproximadamente diez veces más energía que la que habían generado los LED de infrarrojos medios disponibles comercialmente, y potencialmente podría producirse en masa, ", dijo Meyer." Esto podría habilitar sensores basados ​​en ICLED que cuestan menos de USD 100 por sensor ".

Para medir el metano, el nuevo sensor mide la luz infrarroja transmitida a través del aire limpio sin metano y la compara con la transmisión a través del aire que contiene metano. Para aumentar la sensibilidad, los investigadores enviaron la luz infrarroja del ICLED de alta potencia a través de una fibra de núcleo hueco de 1 metro de largo que contenía una muestra de aire. El interior de la fibra está recubierto de plata, lo que hace que la luz se refleje en sus superficies a medida que viaja por la fibra hasta el fotodetector en el otro extremo. Esto permite que la luz interactúe con moléculas adicionales de metano en el aire, lo que resulta en una mayor absorción de la luz.

"Los espejos se usan comúnmente para hacer rebotar la luz de un lado a otro varias veces para aumentar la sensibilidad del sensor, pero pueden ser voluminosos y requieren una alineación precisa. ", dijo Li." Las fibras de núcleo hueco son compactas, requieren bajos volúmenes de gas de muestra y son mecánicamente flexibles ".

Medición de sensores basados ​​en láser

Para probar el nuevo sensor, Los investigadores hicieron fluir concentraciones conocidas de metano en la fibra de núcleo hueco y compararon la transmisión infrarroja de las muestras con sensores de última generación basados ​​en láser. El sensor ICLED fue capaz de detectar concentraciones tan bajas como 0,1 partes por millón y mostró una excelente concordancia tanto con los estándares calibrados como con el sensor láser.

"Este nivel de precisión es suficiente para monitorear las emisiones cerca de las fuentes de contaminación por metano, ", dijo Li." Se podría instalar una serie de estos sensores para medir las emisiones de metano en grandes instalaciones, permitiendo a los operadores detectar fugas de manera económica y rápida y mitigarlas ".

Los investigadores planean mejorar el diseño del sensor para que sea práctico para mediciones de campo a largo plazo investigando formas de aumentar la estabilidad mecánica de la fibra de núcleo hueco. También estudiarán cómo las condiciones climáticas extremas y los cambios en la humedad y la temperatura ambiente pueden afectar el sistema. Porque la mayoría de los gases de efecto invernadero, y muchos otros productos químicos, se puede identificar mediante el uso de luz infrarroja media, el sensor de metano también podría adaptarse para detectar otros gases importantes.