Novo sensor abre caminho para medições de metano sensíveis de baixo custo

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 a poluição do ar.

As indústrias agrícolas e de resíduos emitem quantidades significativas de metano, o que também é crítico para a indústria de petróleo e gás por razões ambientais e econômicas, porque o gás natural é composto principalmente de metano.

Pesquisadores da Universidade de Princeton e do Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA demonstraram seu novo sensor de gás, que usa um dispositivo emissor de luz em cascata interbanda (ICLED) para detectar concentrações de metano tão baixas quanto 0,1 partes por milhão. ICLEDs são um novo tipo de LED de maior potência que emite luz no infravermelho médio. Os pesquisadores esperam que isso eventualmente abra as portas para medições de metano de baixo custo, precisas e sensíveis. Os sensores podem ser usados ​​para entender melhor as emissões de metano do gado e fazendas leiteiras e para permitir um monitoramento mais preciso e abrangente da crise climática.

Os sensores baseados em laser são atualmente o padrão ouro para detecção de metano, mas custam entre US$ 10.000 e US$ 100.000 cada. Uma rede de sensores que detecta vazamentos em um aterro sanitário, instalação petroquímica, estação de tratamento de águas residuais ou fazenda seria proibitivamente cara para 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 no Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA.

Os ICLEDs que eles desenvolveram emitem cerca de dez vezes mais energia do que os LEDs mid-IR comercialmente disponíveis e poderiam ser produzidos em massa. De acordo com os pesquisadores, isso poderia habilitar 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 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 um metro de comprimento contendo uma amostra de ar. O interior da fibra é revestido com prata, o que faz com que a luz seja refletida em suas superfícies enquanto desce 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.

Para testar o novo sensor, os pesquisadores enviaram concentrações conhecidas de metano para a fibra de núcleo oco e compararam a transmissão infravermelha das amostras com sensores baseados em laser de última geração. 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.

Segundo os pesquisadores, esse nível de precisão é suficiente para monitorar emissões próximas a fontes de poluição por metano. Uma série desses sensores pode ser instalada para medir as emissões de metano em grandes instalações, permitindo que os operadores detectem vazamentos e os mitigem de maneira acessível e rápida.

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 condições climáticas extremas e mudanças na umidade e temperatura ambiente podem afetar o sistema. Como 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.