Le processus d'extraction du gaz naturel de la terre et de son transport à travers les pipelines libère du méthane dans l'atmosphère, qui est la composante principale du gaz naturel et un gaz à effet de serre qui affecte environ 25 fois celui du réchauffement climatique, La chaleur atmosphérique est très efficace: un nouveau spectromètre à méthane à base de copeaux, qui est plus petit qu'une pièce de coin, pourrait un jour être plus efficace et plus facile à surveiller pour les grandes zones de fuite de méthane.
Des scientifiques du Centre de recherche IBM Thomas J. Watson, dans le Yorkshire (New York), ont mis au point un nouveau type de spectromètre à méthane plus petit et plus coûteux que le spectromètre standard actuel: le magazine Optics High Impact Factor "Optica". Les chercheurs ont décrit le nouveau spectromètre en détail et ont montré qu'il pouvait détecter des gaz de méthane aussi faibles qu'un dix millième.
Seulement une petite quantité de maintenance, avec une résistance élevée aux chocs
Ce spectromètre est basé sur la photonique de silicium, ce qui signifie qu'il est fait d'optique de silicium, qui est utilisé pour fabriquer des matériaux de puce d'ordinateur.Comme l'utilisation de puces d'ordinateur peut être utilisé les mêmes méthodes de traitement de haute capacité pour fabriquer cette puce Spectromètre à méthane, de sorte que le spectromètre avec la coque et la batterie ou l'énergie solaire, si la production de masse, le coût peut être aussi bas que plusieurs centaines de dollars.
«Avec le coût de dizaines de milliers de capteurs optiques de détection de méthane disponibles aujourd'hui, l'usinage à grande capacité peut faire du spectromètre à puce une proposition de valeur plus importante.» «Et il n'y a pas», a déclaré William Green, responsable de l'équipe de recherche IBM. Les pièces mobiles, et aucun contrôle précis de la température des exigences de base de ce type de capteur peuvent fonctionner pendant de nombreuses années et presque aucune maintenance.
Ce spectromètre bon marché et de haute qualité peut apporter de nouvelles applications intéressantes, par exemple, l'équipe d'IBM travaille avec un partenaire de l'industrie pétrolière et gazière pour développer un projet qui utilisera un spectromètre pour détecter les fuites de méthane, Des milliers de sites ont fui pour trouver et réparer le site, vous pouvez économiser le temps et l'argent de l'entreprise.
«Dans le processus d'extraction et de distribution du gaz naturel, le méthane peut s'échapper dans l'air lorsque l'équipement du puits tombe en panne, la vanne est bloquée ou le tuyau est fissuré.» Nous cherchons une sorte de puce qui peut être distribuée sur le puits Réseau de capteurs, par exemple, les données recueillies par ces capteurs seront traitées en utilisant le logiciel d'analyse physique d'IBM pour déterminer automatiquement l'emplacement de la fuite et le volume de la fuite.
Le méthane est une trace de gaz qui représente moins de 1% du volume atmosphérique de la Terre Bien que les chercheurs aient démontré le méthane, la même méthode peut être utilisée pour détecter la présence d'autres gaz traces individuels, qui peuvent également être utilisés simultanément. Détection de gaz.
Notre vision à long terme est d'intégrer ces types de capteurs dans des choses de tous les jours, comme les téléphones mobiles ou les véhicules qui peuvent être utilisés pour détecter des contaminants, des niveaux dangereux de monoxyde de carbone ou d'autres molécules d'intérêt. "Parce que ce spectromètre fournit une plate-forme pour les tests multi-espèces, un jour peut-être il peut également être utilisé pour l'analyse de la respiration pour la surveillance de la santé", a déclaré Eric Zhang, membre de l'équipe.
Réduire le spectromètre
Ce nouveau dispositif utilise une méthode appelée spectroscopie d'absorption qui nécessite que le laser soit à la longueur d'onde de la seule absorption de la molécule sous laquelle le laser traverse l'air ou l'espace libre jusqu'à ce qu'il atteigne la détection La détection de la lumière atteignant le détecteur entraîne la quantité de molécules dans l'air qui présentent un intérêt, et la concentration actuelle peut être calculée.
Le nouveau système utilise une approche similaire, mais pas un espace libre de l'appareil, mais la lumière laser à travers un guide d'ondes de silicium étroit qui est situé au-dessus de la longueur de la puce de 10 cm de long motif en serpentin, peut être déterminée gamme de 16 millimètres carrés. une partie de la lumière est piégée à l'intérieur du guide d'onde, tandis qu'environ 25% de la lumière dans le silicium pénètre dans l'air extérieur, il peut chercheurs utilisant une longueur d'onde laser dans le proche infrarouge (1650 nm, où les molécules de gaz de trace à travers le voisinage de l'interaction de guide d'ondes du capteur ) Pour la détection du méthane.
Afin d'améliorer la sensibilité du dispositif, les chercheurs ont soigneusement mesuré et contrôlé les facteurs qui ont conduit à des signaux de bruit et d'absorption erronés, affiné la conception du spectromètre et déterminé les paramètres géométriques du guide d'ondes pour obtenir des résultats satisfaisants.
Comparaison côte à côte
Afin de comparer les performances du nouveau spectromètre avec les performances des spectromètres spatiaux standards, ils ont placé l'équipement dans la chambre ambiante, libérant et contrôlant la concentration de méthane, et les chercheurs ont trouvé que le spectromètre à puce était plus que le même niveau de liberté. Les capteurs d'espace libre sont plus précis et réduisent l'interaction de 75% de l'air avec l'air.En outre, la sensibilité du capteur à puce quantifiée par la discernabilité minimale de la concentration de méthane montre qu'elle est supérieure au spectromètre d'espace libre développé par d'autres laboratoires La performance
Bien que le système photonique au silicium - en particulier ceux utilisant des changements d'indice de réfraction dans le système de détection, a déjà été exploré, mais la partie innovante de notre travail est d'utiliser ce type de système pour détecter de faibles concentrations de méthane Une analyse complète de notre bruit de puce de capteur et des seuils de détection minimum.
Cependant, les chercheurs tentent d'intégrer la source de lumière et le détecteur sur la puce, ce qui créera un dispositif essentiellement électrique qui ne nécessite pas de connexion par fibre, contrairement au capteur d'espace libre actuel. Ce type de puce ne nécessite pas d'échantillons spéciaux ou de préparation optique.L'année prochaine, ils prévoient de placer le spectromètre dans un grand réseau comprenant d'autres capteurs prêts à l'emploi pour les essais sur le terrain.
"Notre travail montre que toute la connaissance de la photonique, de l'emballage et de la conception des composants peut être introduite dans le domaine des capteurs optiques, et que la masse est, en principe, un traitement à faible coût et une nouvelle application de la technologie." Green a dit.
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