Opracowany w Wojskowej Akademii Technicznej czujnik metanu bazujący na absorpcji promieniowania optycznego w zakresie długofalowej podczerwieni może pomóc naukowcom w szukaniu dowodów na istnienie życia poza Ziemią. Dłuższe fale skuteczniej przenikają przez warstwy zasłaniające, takie jak aerozole i pyły co może być istotną zaletą w badaniach atmosfery różnych planet. Wyniki pierwszej demonstracji wykrywania niewielkich ilości metanu zostały opisane w czasopiśmie „Measurement”.
Metan uznawany jest za produkt uboczny rozkładu materii organicznej, a jego obecność w atmosferze planety jest traktowana przez naukowców za pierwszy dowód życia. Wykrywanie tego gazu nie jest jednak rzeczą łatwą, ponieważ występuje on najczęściej w śladowych ilościach. Czujniki, które do tego służą powinny być zatem niezwykle precyzyjne.
Wymagania te spełniają metody optyczne, które wykorzystują zjawisko absorpcji promieniowania laserowego do pomiaru śladowych stężeń gazów. Zapewniają one bardzo szybkie pomiary, duże zakresy dynamiczne i wysoką selektywność. Co więcej, dzięki różnicowym procedurom pomiarowym, nie są wymagane okresowe kalibracje i wymiana zużytych części. Dzięki najnowszym osiągnięciom w technologiach optoelektronicznych, czujniki optyczne mogą być kompaktowe i energooszczędne.
„Początkowo celem prac była identyfikacja możliwości wykrywania metanu za pomocą analizy absorpcji promieniowania w zakresie długofalowej podczerwieni, czyli pasm absorpcyjnych zlokalizowanych powyżej 8 µm. Dłuższe fale skuteczniej przenikają przez warstwy zasłaniające takie jak aerozole i pyły co może być istotną zaletą w badaniach atmosfery różnych planet, na przykład Marsa. W wyniku tych analiz okazało się, że na ten temat jest zadziwiająco mało publikacji i nikt takich badań jeszcze nie przeprowadził” – mówi płk dr hab. inż. Jacek Wojtas, prof. WAT, z Instytutu Optoelektroniki WAT.
Nie tylko kosmos
„Badania nad wykrywaniem substancji za pomocą różnych technik laserowej spektroskopii absorpcyjnej są moim głównym obszarem działalności naukowej. Natomiast metan jest bardzo ważną substancją, ponieważ jest to składnik gazu ziemnego wykorzystywanego jako źródło paliwa do wytwarzania energii elektrycznej i ogrzewania, drugi po CO2 najczęściej występujący gaz cieplarniany odpowiadający za ponad jedną trzecią dzisiejszego antropogenicznego ocieplenia klimatu” – wyjaśnia prof. Jacek Wojtas.
Szacuje się, że nawet 23% objętości globalnych emisji antropogenicznych metanu w 2020 r. pochodziło z procesu wydobycia węgla. Jest on uwalniany do atmosfery, aby zmniejszyć ryzyka wybuchu. Może również pochodzić ze źródeł naturalnych, takich jak tereny podmokłe lub być generowanym przez działalność człowieka, w tym przez rolnictwo i gospodarkę ściekową.
Metan jest również ważnym składnikiem wydychanego przez ludzi powietrza, co może wskazywać na stany chorobowe, takie jak dysbioza jelit, przewlekłe zapalenie trzustki, wzdęcia czynnościowe, biegunka, zaparcia i podejrzewane zespoły złego wchłaniania. Dlatego potrzebne są czułe i niezawodne czujniki do dokładnego monitorowania zanieczyszczenia środowiska, zapewnienia jego czystości jako paliwa, lokalizowania wycieków z rurociągów przesyłowych i diagnozowania chorób ludzkich poprzez analizę oddechu.
Innowacyjne podejście
Obecnie optyczne przyrządy do wykrywania CH4 wykorzystują głównie zakres spektralny krótkofalowej podczerwieni (SWIR) i średniofalowej podczerwieni (MWIR), zwłaszcza w okolicach 3 μm, gdzie występują tzw. silne linie absorpcyjne. Chociaż w zakresie SWIR współczynniki absorpcji metanu są mniejsze, to ze względu na dostępność stosunkowo tanich komponentów, pasma wokół 1,3 μm i 1,6 μm są również bardzo często używane.
Badania opisane w czasopiśmie „Measurement” skupiają się na wykrywaniu nawet niewielkich ilości metanu przy użyciu linii absorpcyjnej 8,014 µm i spektroskopii strat we wnęce optycznej CRDS (ang. cavity ring-down spectroscopy) z wykorzystaniem optycznego oscylatora parametrycznego wyposażonego w generator częstotliwości różnicowej. CRDS jest to rodzaj laserowej spektroskopii absorpcyjnej, w której wykorzystuje się specjalne rezonatory optyczne do wydłużania drogi interakcji pomiędzy fotonami i molekułami. Mierzonym parametrem jest czas zaniku promieniowania, który uzależniony jest od strat w tej wnęce i z tego faktu wynika nazwa metody w polskiej nomenklaturze.
„Badania miały innowacyjny charakter. Oprócz zidentyfikowanego, niestosowanego wcześniej pasma absorpcyjnego wymieniłbym uzyskanie granicy wykrywalności 0,063 ppb przy krótkim czasie uśredniania wynoszącym 28,1 s oraz osiągnięcie 1,9 razy lepszej selektywności niż w wypadku najczęściej wybieranego i powszechnie uznawanego za najlepsze pasmo absorpcyjne metanu w okolicy 7,67 µm. Warto podkreślić także fakt, że opracowany układ eksperymentalny umożliwiał pomiary współczynników absorpcji w szerokim zakresie długości fal oraz dla różnych ciśnień, co nie jest łatwe w technice CRDS” – tłumaczy naukowiec.
Co dalej?
Zasadnicza część badań była realizowana w ramach grantu uczelnianego UGB 22 – 829, a podjęte prace eksperymentalne zakończyły się pierwszą demonstracją detekcji małych stężeń metanu przy zastosowaniu jego pasma absorpcyjnego 8,014 µm.
„Bardzo chciałbym, aby była możliwość wdrożenia nie tylko wyników tych badań, lecz także wielu innych, które przeprowadziliśmy razem z moim zespołem. Ich celem zawsze są wymierne efekty oraz utylitarność, a także dążenie do opracowania innowacyjnych produktów, w których kluczowymi elementami są krajowe komponenty” – mówi prof. Jacek Wojtas.
Prace nad laserowymi czujnikami różnych substancji, w tym i metanu, są kontynuowane. Przykładowo w eksperymentach, w których udział wzięli również dr inż. Dariusz Szabra i mgr inż. Filip Musiałek z Zespołu Detekcji Sygnałów Optycznych Instytutu Optoelektroniki WAT wykorzystane zostały między innymi algorytmy sztucznej inteligencji (AI). Badania te są ukierunkowane na opracowanie czujników inteligentnych (ang. smart sensors). Na tym etapie zaproponowano innowacyjne podejście oparte na inspirowanym biologią algorytmie genetycznym i autorskim układzie elektronicznym do sterowania podsystemami czujnika.
Wyniki badań ukazały się w czasopiśmie „Measurement” w artykule „Towards the highest sensitivity and selectivity of the Earth’s and Space’s laser-based methane sensors”.
Artykuł otrzymał 200 punktów, wskaźnik cytowań dla czasopisma (IF) to 5.131.
Marcin Wrzos
fot. Katarzyna Puciłowska
