Erschwinglicher Sensor ermöglicht präzise Methan-Detektion bei niedrigen Konzentrationen

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

Landwirtschaftliche und Abfallindustrien emittieren signifikante Mengen an Methan, was auch für die Öl- und Gasindustrie aus ökologischen und ökonomischen Gründen kritisch ist, da Erdgas hauptsächlich aus Methan besteht.

Forscher von der Princeton University und dem U.S. Naval Research Laboratory haben ihren neuen Gassensor demonstriert, der ein Interband-Cascade-Lichtemissionsbauelement (ICLED) verwendet, um Methankonzentrationen von nur 0,1 Parts per Million zu detektieren. ICLEDs sind eine neue Art von LEDs mit höherer Leistung, die Licht im mittleren Infrarot emittieren. Die Forscher hoffen, dass dies schließlich die Tür zu kostengünstigen, präzisen und empfindlichen Methanmessungen öffnet. Die Sensoren könnten genutzt werden, um Methanemissionen von Vieh- und Milchbetrieben besser zu verstehen und eine präzisere und allgegenwärtige Überwachung der Klimakrise zu ermöglichen.

Laserbasierte Sensoren sind derzeit der Goldstandard für Methandetektion, kosten aber zwischen 10.000 und 100.000 Dollar pro Stück. Ein Sensornetzwerk, das Lecks über eine Deponie, petrochemische Anlage, Kläranlage oder Farm detektiert, wäre mit laserbasierten Sensoren prohibitively teuer zu implementieren.

Obwohl Methansensing mit Mid-IR-LEDs demonstriert wurde, war die Leistung durch die niedrigen Lichtintensitäten verfügbarer Geräte begrenzt. Um die Empfindlichkeit substantially zu verbessern und ein praktisches System für die Methanüberwachung zu entwickeln, nutzten 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 verfügbare Mid-IR-LEDs erzeugt hatten und könnten potenziell in Massenproduktion hergestellt werden. Laut den Forschern könnte dies ICLED-basierte Sensoren ermöglichen, die weniger als 100 Dollar pro Sensor kosten.

Um Methan zu messen, misst der neue Sensor Infrarotlicht, das durch saubere Luft ohne Methan übertragen wird, und vergleicht dies mit der Transmission durch Luft, die Methan enthält. Um die Empfindlichkeit zu erhöhen, sendeten die Forscher das Infrarotlicht der hochleistungsfähigen ICLED durch einen ein Meter langen hohlen Kernfaser, der eine Luftprobe enthielt. Das Innere der Faser ist mit Silber beschichtet, was bewirkt, dass das Licht an den Oberflächen reflektiert wird, während es zur Photodetektor am anderen Ende wandert. Dies ermöglicht dem Licht, mit zusätzlichen Methanmolekülen in der Luft zu interagieren, was zu höherer Absorption des Lichts führt.

Zum Testen des neuen Sensors ließen die Forscher bekannte Methankonzentrationen in den hohlen Kernfaser fließen und verglichen die Infrarottransmission der Proben mit modernsten laserbasierten Sensoren. Der ICLED-Sensor konnte Konzentrationen von nur 0,1 Parts per Million detektieren und zeigte ausgezeichnete Übereinstimmung mit sowohl kalibrierten Standards als auch dem laserbasierten Sensor.

Laut den Forschern ist diese Präzision ausreichend, um Emissionen in der Nähe von Methanverschmutzungsquellen zu überwachen. Ein Array dieser Sensoren könnte installiert werden, um Methanemissionen an großen Anlagen zu messen, was Betreibern ermöglicht, Lecks kostengünstig und schnell zu detektieren und zu mindern.

Die Forscher planen, das Design des Sensors zu verbessern, um ihn für langfristige Feldmessungen praktikabel zu machen, indem sie Wege untersuchen, die mechanische Stabilität des hohlen Kernfasers zu erhöhen. Sie werden auch untersuchen, wie extreme Wetterbedingungen und Änderungen der Umgebungsfeuchtigkeit und -temperatur das System beeinflussen könnten. Da die meisten Treibhausgase und viele andere Chemikalien durch Mid-IR-Licht identifiziert werden können, könnte der Methansensor auch angepasst werden, um andere wichtige Gase zu detektieren.