El proceso de extraer gas natural de la tierra y transportarlo a través de tuberías libera metano a la atmósfera, que es el principal componente del gas natural y es un gas de efecto invernadero que afecta aproximadamente 25 veces el calentamiento global. El calor atmosférico es muy efectivo. Un nuevo espectrómetro de metano basado en un chip, que es más pequeño que una moneda de esquina, puede algún día ser más eficiente y más fácil de monitorear grandes áreas de fugas de metano.
Científicos del Centro de Investigación Thomas J. Watson de IBM en Yorkshire, Nueva York, han desarrollado un nuevo tipo de espectrómetro de metano que es más pequeño y más costoso que el espectrómetro estándar actual. En la revista Optics High Impact Factor "Optica" Los investigadores describieron el nuevo espectrómetro en detalle y demostraron que podía detectar gases de metano tan bajos como una diezmilésima.
Solo una pequeña cantidad de mantenimiento, con alta resistencia al impacto
Este espectrómetro está basado en fotónica de silicio, lo que significa que está hecho de óptica de silicio, que se utiliza para fabricar materiales de chips de computadora. Como el uso de chips de computadora se pueden usar los mismos métodos de procesamiento de alta capacidad para fabricar este chip. El espectrómetro de metano, por lo que el espectrómetro junto con la carcasa y la batería o la energía solar, si la producción en masa, el costo puede ser tan bajo como varios cientos de dólares.
"Con el costo de decenas de miles de sensores ópticos de detección de metano disponibles comercialmente disponibles en la actualidad, el mecanizado de gran capacidad puede hacer que el espectrómetro de chips sea una propuesta de valor más importante". Y no hay ", dijo William Green, jefe del equipo de investigación de IBM. Las piezas movibles y el control preciso de la temperatura de los requisitos básicos de este tipo de sensor pueden durar muchos años y casi no requieren mantenimiento.
Este espectrómetro de alta calidad y bajo costo puede brindar nuevas aplicaciones, por ejemplo, el equipo de IBM está trabajando con un socio en la industria del petróleo y el gas para desarrollar un proyecto que utilizará un espectrómetro para detectar fugas de metano, Miles de sitios filtrados para encontrar y reparar el sitio, puede ahorrarle tiempo y dinero a la compañía.
"En el proceso de extracción y distribución de gas natural, el metano puede filtrarse al aire cuando el equipo en el pozo falla, cuando la válvula está atascada o la tubería está agrietada." Estamos estudiando un método para distribuir el espectrómetro de chip en la cabeza del pozo Red de sensores, por ejemplo, los datos recopilados por estos sensores se procesarán utilizando el software de análisis físico de IBM para determinar automáticamente la ubicación de la fuga y el volumen de la fuga.
El metano es un rastro de gas que representa menos del 1% del volumen atmosférico de la Tierra. Aunque los investigadores han demostrado las pruebas de metano, el mismo método puede usarse para detectar la presencia de otros gases traza individuales, que también se pueden usar simultáneamente. Detección de gas
Nuestra visión a largo plazo es incorporar este tipo de sensores a las cosas cotidianas, como teléfonos móviles o vehículos que pueden usarse para detectar contaminantes, niveles peligrosos de monóxido de carbono u otras moléculas de interés. "Debido a que este espectrómetro proporciona una plataforma para las pruebas de múltiples especies, un día tal vez también se puede utilizar para el análisis de la respiración para el control de la salud", dijo el miembro del equipo Eric Zhang.
Reducir el espectrómetro
Este nuevo dispositivo utiliza un método llamado espectroscopia de absorción que requiere que el láser esté a la longitud de onda de la única absorción de la molécula por la cual el láser pasa por el aire o espacio libre hasta que alcanza la detección La detección de la luz que llega al detector da como resultado la cantidad de moléculas en el aire que son de interés, y puede calcularse la concentración de la corriente.
El nuevo sistema utiliza un enfoque similar, pero no es un dispositivo de espacio libre, pero el láser a través de una guía de onda de silicio estrecha, que se encuentra en el chip por encima del largo de 10 cm de largo patrón de serpentina se puede medir en el rango de 16 milímetros cuadrados. Se capta algo de luz dentro de la guía de onda, y alrededor del 25% de la luz se extiende al exterior del silicio hacia el aire, donde puede interactuar con las moléculas de gas traza que pasan a través de la guía de onda del sensor. Los investigadores usan láseres infrarrojos cercanos (1650 nm de longitud de onda ) Para detección de metano.
Para mejorar la sensibilidad del dispositivo, los investigadores midieron y controlaron cuidadosamente los factores que llevaron al ruido y las señales de falsa absorción, ajustaron el diseño del espectrómetro y determinaron los parámetros geométricos de la guía de onda para producir resultados satisfactorios.
Comparación lado a lado
Para comparar el rendimiento del nuevo espectrómetro con el rendimiento de espectrómetros de espacio libre estándar, colocaron el equipo en la cámara ambiental, liberando y controlando la concentración de metano, y los investigadores encontraron que el espectrómetro basado en chip era más que el mismo nivel de diseño de espacio libre Los sensores de espacio libre son más precisos y reducen la interacción del 75% del aire con el aire. Además, la sensibilidad del sensor de chip se cuantifica por la mínima discernibilidad de la concentración de metano y muestra que es superior al espectrómetro de espacio libre desarrollado por otros laboratorios El rendimiento
Aunque el sistema de fotónica de silicio, especialmente los que usan cambios de índice de refracción en el sistema de detección, ha sido explorado previamente, pero la parte innovadora de nuestro trabajo es utilizar este tipo de sistema para detectar bajas concentraciones de metano con señales de absorción muy débiles, y Un análisis exhaustivo de nuestro sensor de ruido de chips y umbrales mínimos de detección.
La versión actual de la luz del espectrómetro se necesita. Fuente de luz Sin embargo, los investigadores están trabajando y un detector incorporado en el chip por chip de fuera de la fibra óptica, esto creará un aparato eléctrico esencialmente no requiere una conexiones de fibra óptica. Los sensores de corriente con diferente espacio libre Este tipo de chip no requiere muestras especiales ni preparación óptica. El año que viene planean colocar el espectrómetro en una red grande que incluye otros sensores listos para pruebas de campo.
'Nuestro trabajo sugiere que todo el conocimiento fotónica de silicio de fabricación, embalaje y componentes detrás del diseño se pueden poner en el campo de los sensores ópticos, procesamiento de sensores completa de grandes cantidades de principio a bajo costo, y en última instancia permiten nuevas aplicaciones de la tecnología.' Green dijo.
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