Neuer Sensor ebnet den Weg für kostengünstige empfindliche Methanmessungen

Forscher haben einen neuen Sensor entwickelt, der eine praktische und kostengünstige Detektion geringer Konzentrationen von Methangas ermöglichen könnte. Die Messung von Methanemissionen und -lecks ist für eine Vielzahl von Branchen wichtig, da das Gas zur globalen Erwärmung und Luftverschmutzung beiträgt.

Landwirtschafts- und Abfallindustrie emittieren erhebliche Mengen an Methan, was auch für die Öl- und Gasindustrie sowohl aus ökologischen als auch aus wirtschaftlichen Gründen kritisch ist, da Erdgas hauptsächlich aus Methan besteht.

Forscher der Princeton University und des U.S. Naval Research Laboratory haben ihren neuen Gassensor demonstriert, der ein Interband-Kaskaden-Lichtemissionsgerät (ICLED) verwendet, um Methankonzentrationen von nur 0,1 Teilen pro Million zu erkennen. ICLEDs sind eine neue Art von Hochleistungs-LEDs, die Licht im mittleren Infrarot emittieren. Die Forscher hoffen, dass dies letztendlich die Tür zu kostengünstigen, genauen und empfindlichen Methanmessungen öffnen wird. Die Sensoren könnten verwendet werden, um die Methanemissionen von Vieh- und Milchviehbetrieben besser zu verstehen und eine genauere und umfassendere Überwachung der Klimakrise zu ermöglichen.

Laserbasierte Sensoren sind derzeit der Goldstandard für die Methanerkennung, aber sie kosten jeweils zwischen 10.000 und 100.000 US-Dollar. Ein Sensornetzwerk, das Lecks in einer Mülldeponie, einer petrochemischen Anlage, einer Kläranlage oder einem landwirtschaftlichen Betrieb erkennt, wäre mit laserbasierten Sensoren unerschwinglich teuer zu implementieren.

Obwohl die Methanerkennung mit Mid-IR-LEDs demonstriert wurde, wurde die Leistung durch die geringen Lichtintensitäten begrenzt, die von verfügbaren Geräten erzeugt werden. Um die Empfindlichkeit erheblich zu verbessern und ein praktisches System zur Überwachung von Methan zu entwickeln, verwendeten die Forscher ein neues ICLED, das am U.S. Naval Research Laboratory entwickelt wurde.

Die von ihnen entwickelten ICLEDs emittieren etwa zehnmal mehr Leistung als kommerziell erhältliche Mid-IR-LEDs erzeugt hatten und könnten möglicherweise in Massenproduktion hergestellt werden. Den Forschern zufolge könnte dies ICLED-basierte Sensoren ermöglichen, die weniger als 100 $ pro Sensor kosten.

Um Methan zu messen, misst der neue Sensor Infrarotlicht, das durch saubere Luft ohne Methan übertragen wird, und vergleicht das mit der Übertragung durch Luft, die Methan enthält. Um die Empfindlichkeit zu steigern, schickten die Forscher das Infrarotlicht der Hochleistungs-ICLED durch eine ein Meter lange Hohlfaser, die eine Luftprobe enthielt. Die Innenseite der Faser ist mit Silber beschichtet, wodurch das Licht von seinen Oberflächen reflektiert wird, wenn es die Faser hinunter zum Fotodetektor am anderen Ende wandert. Dadurch kann das Licht mit zusätzlichen Methanmolekülen in der Luft interagieren, was zu einer höheren Absorption des Lichts führt.

Um den neuen Sensor zu testen, ließen die Forscher bekannte Methankonzentrationen in die Hohlkernfaser fließen und verglichen die Infrarotübertragung der Proben mit hochmodernen laserbasierten Sensoren. Der ICLED-Sensor war in der Lage, Konzentrationen von nur 0,1 Teilen pro Million zu erkennen und zeigte dabei eine hervorragende Übereinstimmung sowohl mit kalibrierten Standards als auch mit dem laserbasierten Sensor.

Laut den Forschern reicht diese Genauigkeit aus, um Emissionen in der Nähe von Methanbelastungsquellen zu überwachen. Eine Reihe dieser Sensoren könnte installiert werden, um Methanemissionen in großen Anlagen zu messen, sodass Betreiber Lecks erkennen und kostengünstig und schnell entschärfen können.

Die Forscher planen, das Design des Sensors zu verbessern, um ihn für langfristige Feldmessungen praktikabel zu machen, indem sie Möglichkeiten untersuchen, die mechanische Stabilität der Hohlkernfaser zu erhöhen. Sie werden auch untersuchen, wie sich extreme Wetterbedingungen und Änderungen der Umgebungsfeuchtigkeit und -temperatur auf das System auswirken können. Da die meisten Treibhausgase und viele andere Chemikalien mit Licht im mittleren Infrarotbereich identifiziert werden können, könnte der Methansensor auch so angepasst werden, dass er andere wichtige Gase erkennt.