Sensor asequible permite detección precisa de metano a bajas concentraciones

Los investigadores han desarrollado un nuevo sensor que podría permitir la detección práctica y de bajo costo de bajas concentraciones de gas metano. Medir emisiones y fugas de metano es importante para una variedad de industrias porque el gas contribuye al calentamiento global y la contaminación del aire.

Las industrias agrícolas y de desechos emiten cantidades significativas de metano, que también es crítico para la industria del petróleo y gas por razones tanto ambientales como económicas porque el gas natural está compuesto principalmente de metano.

Investigadores de la Universidad de Princeton y el Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. han demostrado su nuevo sensor de gas, que usa un dispositivo emisor de luz de cascada interbanda (ICLED) para detectar concentraciones de metano tan bajas como 0,1 partes por millón. Los ICLED son un nuevo tipo de LED de mayor potencia que emite luz en el infrarrojo medio. Los investigadores esperan que esto eventualmente abra la puerta a mediciones de metano de bajo costo, precisas y sensibles. Los sensores podrían usarse para entender mejor las emisiones de metano de granjas de ganado y lácteos y para permitir un monitoreo más preciso y generalizado de la crisis climática.

Los sensores basados en láser son actualmente el estándar de oro para detección de metano, pero cuestan entre $10.000 y $100.000 cada uno. Una red de sensores que detecte fugas en un vertedero, instalación petroquímica, planta de tratamiento de aguas residuales o granja sería prohibitivamente costosa de implementar usando sensores basados en láser.

Aunque la detección de metano se ha demostrado con LEDs de IR medio, el rendimiento ha sido limitado por las bajas intensidades de luz generadas por dispositivos disponibles. Para mejorar sustancialmente la sensibilidad y desarrollar un sistema práctico para monitorear metano, los investigadores usaron un nuevo ICLED desarrollado en el Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU.

Los ICLED que desarrollaron emiten aproximadamente diez veces más potencia que los LEDs de IR medio disponibles comercialmente habían generado y podrían producirse en masa. Según los investigadores, esto podría permitir sensores basados en ICLED que cuesten menos de $100 por sensor.

Para medir metano, el nuevo sensor mide luz infrarroja transmitida a través de aire limpio sin metano y la compara con transmisión a través de aire que contiene metano. Para aumentar la sensibilidad, los investigadores enviaron la luz infrarroja del ICLED de alta potencia a través de una fibra de núcleo hueco de un metro de largo que contenía una muestra de aire. El interior de la fibra está recubierto de plata, lo que hace que la luz se refleje en sus superficies mientras viaja por la fibra al fotodetector en el otro extremo. Esto permite que la luz interactúe con moléculas adicionales de metano en el aire resultando en mayor absorción de la luz.

Para probar el nuevo sensor, los investigadores fluyeron concentraciones conocidas de metano en la fibra de núcleo hueco y compararon la transmisión infrarroja de las muestras con sensores basados en láser de vanguardia. El sensor ICLED fue capaz de detectar concentraciones tan bajas como 0,1 partes por millón mientras mostraba excelente acuerdo con ambos estándares calibrados y el sensor basado en láser.

Según los investigadores, este nivel de precisión es suficiente para monitorear emisiones cerca de fuentes de contaminación por metano. Un array de estos sensores podría instalarse para medir emisiones de metano en grandes instalaciones, permitiendo a los operadores detectar fugas y mitigarlas de forma asequible y rápida.

Los investigadores planean mejorar el diseño del sensor para hacerlo práctico para mediciones de campo a largo plazo investigando formas de aumentar la estabilidad mecánica de la fibra de núcleo hueco. También estudiarán cómo condiciones climáticas extremas y cambios en humedad y temperatura ambiental podrían afectar el sistema. Como la mayoría de gases de efecto invernadero, y muchos otros químicos, pueden identificarse usando luz de IR medio, el sensor de metano también podría adaptarse para detectar otros gases importantes.