Os pesquisadores desenvolveram um novo sensor que pode permitir a detecção prática e de baixo custo de baixas concentrações de gás metano. Medir as emissões e vazamentos de metano é importante para uma variedade de indústrias porque o gás contribui para o aquecimento global e poluição do ar.

"As indústrias agrícolas e de resíduos emitem quantidades significativas de metano, "disse Mark Zondlo, líder da equipe de pesquisa da Universidade de Princeton que desenvolveu o sensor. "Detectar vazamentos de metano também é fundamental para a indústria de petróleo e gás, tanto por razões ambientais quanto econômicas, porque o gás natural é composto principalmente de metano."

No jornal The Optical Society (OSA) Optics Express , pesquisadores da Universidade de Princeton e do Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA demonstram seu novo sensor de gás, que usa um dispositivo de emissão de luz em cascata entre bandas (ICLED) para detectar concentrações de metano tão baixas quanto 0,1 partes por milhão. ICLEDs são um novo tipo de LED de alta potência que emite luz em comprimentos de onda de infravermelho médio (IR), que pode ser usado para medir muitos produtos químicos.

"Esperamos que esta pesquisa eventualmente abra a porta para o baixo custo, medições precisas e sensíveis de metano, "disse Nathan Li, primeiro autor do artigo. "Esses sensores poderiam ser usados ​​para entender melhor as emissões de metano de fazendas de gado e laticínios e para permitir um monitoramento mais preciso e abrangente da crise climática."

Construindo um sensor menos caro

Sensores baseados em laser são atualmente o padrão ouro para detecção de metano, mas custam entre US $ 10, 000 e 100, 000 cada. Uma rede de sensores que detecta vazamentos em um aterro sanitário, instalação petroquímica, uma estação ou fazenda de tratamento de águas residuais seria proibitivamente cara de implementar usando sensores baseados em laser.

Embora a detecção de metano tenha sido demonstrada com LEDs de infravermelho médio, o desempenho foi limitado pelas baixas intensidades de luz geradas pelos dispositivos disponíveis. Para melhorar substancialmente a sensibilidade e desenvolver um sistema prático para monitorar o metano, os pesquisadores usaram um novo ICLED desenvolvido pela equipe de Jerry Meyer no Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA.

"Os ICLEDs que desenvolvemos emitem cerca de dez vezes mais energia do que os LEDs infravermelhos médios disponíveis no mercado geraram, e poderia ser potencialmente produzido em massa, "disse Meyer." Isso poderia permitir sensores baseados em ICLED que custam menos de US $ 100 por sensor. "

Para medir o metano, o novo sensor mede a luz infravermelha transmitida através do ar limpo, sem metano, e a compara com a transmissão através do ar que contém metano. Para aumentar a sensibilidade, os pesquisadores enviaram a luz infravermelha do ICLED de alta potência através de uma fibra de núcleo oco de 1 metro de comprimento contendo uma amostra de ar. O interior da fibra é revestido com prata, o que faz com que a luz reflita em suas superfícies à medida que viaja pela fibra até o fotodetector na outra extremidade. Isso permite que a luz interaja com moléculas adicionais de metano no ar, resultando em maior absorção da luz.

"Os espelhos são comumente usados ​​para refletir a luz para frente e para trás várias vezes para aumentar a sensibilidade do sensor, mas podem ser volumosos e exigem alinhamento preciso, "disse Li." Fibras de núcleo oco são compactas, requerem baixos volumes de gás de amostra e são mecanicamente flexíveis. "

Medindo até sensores baseados em laser

Para testar o novo sensor, os pesquisadores injetaram concentrações conhecidas de metano na fibra do núcleo oco e compararam a transmissão infravermelha das amostras com sensores de última geração baseados em laser. O sensor ICLED foi capaz de detectar concentrações tão baixas quanto 0,1 partes por milhão, mostrando excelente concordância com os padrões calibrados e o sensor baseado em laser.

"Este nível de precisão é suficiente para monitorar as emissões perto de fontes de poluição por metano, "disse Li." Uma série desses sensores poderia ser instalada para medir as emissões de metano em grandes instalações, permitindo que os operadores detectem vazamentos de forma econômica e rápida e os mitiguem. "

Os pesquisadores planejam melhorar o design do sensor para torná-lo prático para medições de campo de longo prazo, investigando maneiras de aumentar a estabilidade mecânica da fibra de núcleo oco. Eles também estudarão como as condições climáticas extremas e as mudanças na umidade e temperatura ambiente podem afetar o sistema. Porque a maioria dos gases de efeito estufa, e muitos outros produtos químicos, podem ser identificados usando luz infravermelha média, o sensor de metano também pode ser adaptado para detectar outros gases importantes.