低コストセンサーで低濃度メタン高精度検知を実現

研究者たちは、メタンガス低濃度の実用的かつ低コスト検知を可能にする新センサーを開発しました。メタン排出と漏洩の測定は、地球温暖化と大気汚染に寄与するガスであるため、多様な産業で重要です。

農業と廃棄物産業は大量のメタンを排出し、天然ガスの主成分がメタンであるため、石油・ガス業界でも環境的・経済的理由から重要です。

プリンストン大学と米海軍研究所の研究者たちが新ガスセンサーを実証しました。インターバンドカスケード発光デバイス（ICLED）を用いて、0.1ppmという低濃度メタンを検知します。ICLEDは中間赤外域で発光する新タイプの高出力LEDです。研究者たちはこれがやがて、低コスト・高精度・高感度メタン測定への道を開くと期待しています。センサーは家畜・酪農場からのメタン排出理解を深め、気候危機のより正確で広範な監視を可能にするでしょう。

レーザーベースセンサーが現在メタン検知のゴールドスタンダードですが、一台1万～10万ドルします。埋立地、石油化学施設、廃水処理場、農場全体で漏洩検知するセンサーネットワークをレーザーベースで構築するのはコスト面で非現実的です。

中間赤外LEDでメタン検知は実証されていましたが、利用可能デバイスの低光強度で性能が制限されていました。感度を大幅に向上させ実用的メタン監視システムを開発するため、研究者たちは米海軍研究所で開発された新ICLEDを使用しました。

開発されたICLEDは、市販中間赤外LEDの約10倍の出力を発生し、大量生産も可能性があります。研究者たちによれば、これによりICLEDベースセンサーをセンサーあたり100ドル未満で実現できる可能性があります。

メタン測定では、メタンのない清浄空気を透過した赤外光と、メタン含有空気を透過した赤外光を比較します。感度向上のため、高出力ICLEDからの赤外光を、空気サンプルを含む1メートル長の中空コアファイバーに通しました。ファイバー内面は銀コーティングされており、光がファイバー内で反射しながら反対側のフォトディテクターへ到達します。これにより光が空気中の追加メタン分子と相互作用し、光吸収が増大します。

新センサーをテストするため、既知濃度メタンを中空コアファイバーに流し、最先端レーザーベースセンサーと赤外透過率を比較しました。ICLEDセンサーは0.1ppmという低濃度を検知し、校正標準とレーザーベースセンサーの両方と優れた一致を示しました。

研究者たちによれば、この精度レベルはメタン汚染源付近の排出監視に十分です。これらセンサーのアレイを大規模施設に設置すれば、オペレーターが漏洩を検知し、安価かつ迅速に軽減できます。

研究者たちは、中空コアファイバーの機械的安定性向上策を検討し、長期フィールド測定に実用的な設計改良を計画しています。また、極端な気象条件と周囲湿度・温度変化がシステムにどう影響するか研究します。ほとんどの温室効果ガスと多くの化学物質が中間赤外光で識別可能なため、メタンセンサーは他の重要ガス検知にも適応可能です。

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