Un laser selettivo

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 1573 (2023) Citare questo articolo

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Dettagli sulle metriche

Viene segnalato un sensore basato su laser nel medio infrarosso per la quantificazione delle emissioni fuggitive di metano. Il sensore si basa su un laser a cascata interbanda con feedback distribuito che opera vicino a 3,3 μm. La sintonizzazione della lunghezza d'onda con l'analisi cepstral viene utilizzata per isolare l'assorbanza del metano da (1) fluttuazioni nell'intensità del laser di base e (2) specie interferenti. L'analisi Cepstral crea una forma modificata del segnale di decadimento dell'induzione libera molecolare (m-FID) nel dominio del tempo per separare temporalmente le risposte ottiche e molecolari. Il sensore sviluppato è insensibile alle imperfezioni dell'intensità laser di base e alle interferenze spettrali di altre specie. Misurazioni accurate del metano in presenza di una specie interferente rappresentativa, il benzene, vengono eseguite mediante un'attenta selezione dell'indice di scansione (rapporto tra la gamma di sintonizzazione del laser e la larghezza della linea spettrale) e il tempo iniziale e finale di adattamento del segnale m-FID. Il limite minimo di rilevamento del sensore è ~ 110 ppm che può essere migliorato con una cavità ottica. La strategia di rilevamento proposta può essere utilizzata per misurare le perdite di metano in ambienti difficili e in presenza di specie interferenti nelle applicazioni di monitoraggio ambientale.

Il metano ha importanti applicazioni astrofisiche grazie alla sua significativa presenza in molti sistemi planetari1 ed è stato rilevato nell'atmosfera di Saturno, Titano, Giove, Urano, Marte e Plutone2. Tracce di metano nel respiro umano possono essere utilizzate come biomarcatore per problemi intestinali e fermentazione del colon3.

Il metano è il terzo gas serra più importante nell'atmosfera terrestre dopo il vapore acqueo e l'anidride carbonica4 e la sua concentrazione è in costante aumento a causa delle attività antropiche5. Le emissioni di metano di origine antropica sono quasi il doppio di quelle provenienti da fonti naturali6, quindi il metano è un obiettivo chiave per la riduzione delle scorte di gas serra. Il Gruppo intergovernativo sui cambiamenti climatici (IPCG) ha chiesto ai politici di sviluppare metodi per misurare e limitare le emissioni di gas responsabili del riscaldamento globale7. Il metano contribuisce in modo determinante al cambiamento climatico e il suo potenziale di riscaldamento globale è circa 25 volte maggiore rispetto alla CO28. Ridurre le emissioni di metano è essenziale poiché il metano contribuisce per circa il 25% al ​​riscaldamento attuale9. Perseguire urgentemente strategie di mitigazione può ridurre il tasso di riscaldamento e contribuire a evitare un aumento di 0,25 °C entro il 2050 e di oltre 0,5 °C entro il 210010. Sono state sviluppate una miriade di tecnologie di rilevamento per mitigare le emissioni di metano11.

Il metano è il principale costituente (\(\sim \) 90%) del gas naturale (GN). Le esplosioni accidentali in miscele di gas naturale e aria sono molto costose in termini di vite umane, materiali e salute mentale delle persone12. L'esplosione di Richmond Hill nel 2012 è avvenuta a causa di massicce perdite di metano, accumulatesi in un'area parzialmente chiusa, che si sono incendiate provocando una catastrofe13. Le esplosioni astrofisiche sono state collegate alle transizioni da deflagrazione a detonazione (DDT), che sono state studiate in canali contenenti miscele metano/aria12.

La spettroscopia di assorbimento fornisce misurazioni quantitative e non intrusive in vari sistemi14,15. Sono stati sviluppati numerosi sensori di assorbimento laser per il rilevamento del metano nelle applicazioni di rilevamento dei gas. Questi sensori sono stati sviluppati sia nella regione del medio che del vicino infrarosso dello spettro di assorbimento del metano. Le sorgenti laser nel medio infrarosso vengono sempre più utilizzate poiché la forza di assorbimento della maggior parte degli idrocarburi è di ordini di grandezza più elevata nella regione del medio infrarosso rispetto alla regione del vicino infrarosso16,17,18. Sono state impiegate tecniche di assorbimento diretto e fotoacustiche per sviluppare sensori di metano atmosferico utilizzando laser a diodi a feedback distribuito (DFB) che operano nella regione del vicino IR intorno a 1,6 μm per accedere alla banda 2v3 del metano19,20,21,22. Inoltre, sono stati segnalati sensori di metano nel medio IR che utilizzano sorgenti di generazione di frequenza differenziale (DFG) che emettono circa 3,3–3,4 μm per coprire la banda vibrazionale ro del metano v323,24,25,26,27. Recentemente, i laser a cascata quantistica (QCL) hanno consentito il rilevamento del metano vicino a 8 μm mirando alla banda ν4 del metano28,29,30,31.