O processo de extração de gás natural da terra ou de transporte por dutos pode liberar metano na atmosfera. Metano, o principal componente do gás natural, é um gás de efeito estufa com potencial de aquecimento aproximadamente 25 vezes maior que o dióxido de carbono, tornando-o muito eficiente na captura de energia térmica atmosférica. Um novo espectrômetro de metano baseado em chip, que é menor do que uma moeda, poderia um dia tornar mais fácil monitorar a eficiência e vazamentos em grandes áreas.

Cientistas do IBM Thomas J. Watson Research Center em Yorktown Heights, NOVA IORQUE, desenvolveu o novo espectrômetro de metano, que é menor do que os espectrômetros padrão de hoje e mais econômico de fabricar. No Optica , O jornal da Optical Society para pesquisas de alto impacto, os pesquisadores detalham o novo espectrômetro e mostram que ele pode detectar metano em concentrações tão baixas quanto 100 partes por milhão.

Baixa manutenção, alto impacto

O espectrômetro é baseado em tecnologia fotônica de silício, o que significa que é um dispositivo óptico feito de silício, o material usado para fazer chips de computador. Como os mesmos métodos de fabricação de alto volume usados ​​para chips de computador podem ser aplicados para fazer o espectrômetro de metano baseado em chip, o espectrômetro junto com uma caixa e uma bateria ou fonte de energia solar podem custar apenas algumas centenas de dólares se produzidos em grandes quantidades.

"Em comparação com o custo de dezenas de milhares de dólares para os sensores ópticos de detecção de metano disponíveis atualmente no mercado, a fabricação em volume se traduziria em uma proposição de valor significativo para o espectrômetro de chip, "disse William Green, líder da equipe de pesquisa da IBM. "Além disso, sem partes móveis e nenhum requisito fundamental para o controle preciso da temperatura, esse tipo de sensor pode operar por anos quase sem manutenção. "

De baixo custo, espectrômetros robustos podem levar a novas aplicações interessantes. Por exemplo, a equipe da IBM está trabalhando com parceiros da indústria de petróleo e gás em um projeto que usaria espectrômetros para detectar vazamentos de metano, economizando tempo e dinheiro para as empresas na tentativa de encontrar e consertar vazamentos usando a inspeção pessoal de milhares de sites.

“Durante a extração e distribuição de gás natural, o metano pode vazar para o ar quando o equipamento do poço apresenta mau funcionamento, as válvulas ficam presas, ou há uma rachadura no pipeline, "disse Green." Estamos desenvolvendo uma maneira de usar este espectrômetro-em-um-chip para criar uma rede de sensores que poderiam ser distribuídos em uma plataforma de poço, por exemplo. Os dados desses sensores seriam processados ​​com o software de análise física da IBM para apontar automaticamente a localização de um vazamento, bem como quantificar a magnitude do vazamento. "

O metano é um gás traço, a classificação dada aos gases que constituem menos de 1 por cento do volume da atmosfera da Terra. Embora os pesquisadores tenham demonstrado a detecção de metano, a mesma abordagem pode ser usada para detectar a presença de outros gases-traço individuais. Também pode ser usado para detectar vários gases simultaneamente.

"Nossa visão de longo prazo é incorporar esses tipos de sensores em casa e coisas que as pessoas usam todos os dias, como telefones celulares ou veículos. Eles podem ser úteis para detectar poluição, níveis perigosos de monóxido de carbono ou outras moléculas de interesse, "disse Eric Zhang, um membro da equipe de pesquisa. "Como este espectrômetro oferece uma plataforma para detecção de multiespécies, também poderá um dia ser usado para monitoramento de saúde por meio de análise de respiração. "

Reduzindo o espectrômetro

O novo dispositivo usa uma abordagem conhecida como espectroscopia de absorção, que requer luz laser no comprimento de onda exclusivamente absorvido pela molécula que está sendo medida. Em uma configuração de espectroscopia de absorção tradicional, o laser viaja pelo ar, ou espaço livre, até chegar a um detector. Medir a luz que chega ao detector revela quanta luz foi absorvida pelas moléculas de interesse no ar e pode ser usado para calcular a concentração delas presentes.

O novo sistema usa uma abordagem semelhante, mas em vez de uma configuração de espaço livre, o laser viaja através de um guia de ondas estreito de silício que segue um padrão de serpentina de 10 centímetros de comprimento no topo de um chip medindo 16 milímetros quadrados. Parte da luz fica presa dentro do guia de ondas, enquanto cerca de 25 por cento da luz se estende para fora do silício no ar ambiente, onde ele pode interagir com moléculas de gases traço que passam nas proximidades do guia de ondas do sensor. Os pesquisadores usaram luz laser infravermelha próxima (comprimento de onda de 1650 nanômetros) para detecção de metano.

Para aumentar a sensibilidade do dispositivo, os investigadores mediram e controlaram cuidadosamente os fatores que contribuem para o ruído e falsos sinais de absorção, afinou o design do espectrômetro e determinou os parâmetros geométricos do guia de ondas que produziriam resultados favoráveis.

Comparação lado a lado

Para comparar o desempenho do novo espectrômetro com o de um espectrômetro de espaço livre padrão, eles colocaram os dispositivos em uma câmara ambiental e liberaram concentrações controladas de metano. Os pesquisadores descobriram que o espectrômetro baseado em chip forneceu precisão no mesmo nível do sensor de espaço livre, apesar de ter 75 por cento menos luz interagindo com o ar em comparação com o design de espaço livre. Além disso, a sensibilidade fundamental do sensor de chip foi quantificada medindo a menor mudança perceptível na concentração de metano, mostrando desempenho comparável a espectrômetros de espaço livre desenvolvidos em outros laboratórios.

"Embora os sistemas fotônicos de silício - especialmente aqueles que usam mudanças de índice de refração para detecção - tenham sido explorados anteriormente, a parte inovadora do nosso trabalho foi usar este tipo de sistema para detectar sinais de absorção muito fracos de pequenas concentrações de metano, e nossa análise abrangente do ruído e limites mínimos de detecção de nosso chip sensor, "disse Zhang.

A versão atual do espectrômetro requer que a luz entre e saia do chip por meio de fibras ópticas. Contudo, os pesquisadores estão trabalhando para incorporar a fonte de luz e os detectores ao chip, o que criaria um dispositivo essencialmente elétrico sem a necessidade de conexões de fibra. Ao contrário dos sensores de espaço livre atuais, o chip não requer amostra especial ou preparação óptica. Próximo ano, eles planejam iniciar o teste de campo dos espectrômetros, colocando-os em uma rede maior que inclui outros sensores prontos para uso.

"Nosso trabalho mostra que todo o conhecimento por trás da fabricação de fotônica de silício, embalagem, e o projeto do componente pode ser trazido para o espaço do sensor óptico, para construir manufaturados de alto volume e, em princípio, sensores de baixo custo, em última análise, permitindo um conjunto inteiramente novo de aplicativos para esta tecnologia, "disse Green.