저가 센서로 저농도 메탄 정밀 감지 가능

연구자들은 저농도 메탄 가스를 실용적이고 저비용으로 감지할 수 있는 새로운 센서를 개발했습니다. 메탄 배출과 누출 측정은 지구온난화와 대기 오염에 기여하는 가스이기 때문에 다양한 산업에 중요합니다.

농업과 폐기물 산업은 상당한 양의 메탄을 배출하며, 천연가스가 주로 메탄으로 구성되어 있어 석유 및 가스 산업에서도 환경적, 경제적 이유로 중요합니다.

프린스턴 대학교와 미국 해군 연구소 연구자들은 새로운 가스 센서를 시연했습니다. 이 센서는 중간적외선을 방출하는 인터밴드 캐스케이드 발광 소자(ICLED)를 사용하여 0.1ppm(백만분율)까지 낮은 메탄 농도를 감지합니다. ICLED는 중간적외선에서 빛을 방출하는 새로운 유형의 고출력 LED입니다. 연구자들은 이것이 결국 저비용, 정확하고 민감한 메탄 측정의 문을 열기를 희망합니다. 이 센서들은 가축 및 낙농장의 메탄 배출을 더 잘 이해하고 기후 위기의 더 정확하고 광범위한 모니터링을 가능하게 하는 데 사용될 수 있습니다.

레이저 기반 센서는 현재 메탄 감지의 골드 스탠더드지만, 개당 1만~10만 달러 비용이 듭니다. 매립지, 석유화학 시설, 폐수 처리장, 농장 전체에 걸쳐 누출을 감지하는 센서 네트워크를 레이저 기반 센서로 구현하는 것은 지나치게 비쌉니다.

중간적외선 LED로 메탄 감지가 시연된 바 있지만, 사용 가능한 장치에서 생성되는 낮은 빛 강도로 성능이 제한되었습니다. 감도를 크게 개선하고 메탄 모니터링을 위한 실용적인 시스템을 개발하기 위해 연구자들은 미국 해군 연구소에서 개발한 새로운 ICLED를 사용했습니다.

개발된 ICLED는 상용 중간적외선 LED가 생성했던 것보다 약 10배 더 많은 전력을 방출하며 잠재적으로 대량 생산 가능합니다. 연구자들에 따르면 이는 센서당 100달러 미만의 ICLED 기반 센서를 가능하게 할 수 있습니다.

메탄을 측정하기 위해 새 센서는 메탄이 없는 깨끗한 공기를 통과한 적외선 빛과 메탄을 포함한 공기를 통과한 빛을 비교합니다. 감도를 높이기 위해 연구자들은 고출력 ICLED에서 나온 적외선 빛을 공기 샘플을 담은 1미터 길이의 중공 코어 파이버를 통해 보냈습니다. 파이버 내부는 은으로 코팅되어 있어 빛이 파이버를 따라 광검출기까지 이동하면서 표면에서 반사됩니다. 이는 빛이 공기 중 추가 메탄 분자와 상호작용하게 하여 빛 흡수를 높입니다.

새 센서를 테스트하기 위해 연구자들은 알려진 농도의 메탄을 중공 코어 파이버로 흘려보내며 최첨단 레이저 기반 센서와 적외선 투과율을 비교했습니다. ICLED 센서는 0.1ppm까지 낮은 농도를 감지할 수 있었고, 보정된 표준과 레이저 기반 센서 모두와 탁월한 일치를 보였습니다.

연구자들에 따르면 이 정밀도는 메탄 오염원 근처 배출을 모니터링하기에 충분합니다. 이러한 센서 어레이를 대형 시설에 설치하여 메탄 배출을 측정하면 운영자들이 저렴하고 신속하게 누출을 감지하고 완화할 수 있습니다.

연구자들은 중공 코어 파이버의 기계적 안정성을 높이는 방법을 조사하여 장기 현장 측정에 실용적인 센서 설계를 개선할 계획입니다. 또한 극한 기상 조건과 주변 습도 및 온도 변화가 시스템에 미치는 영향을 연구할 것입니다. 대부분의 온실가스와 많은 다른 화학물질이 중간적외선 빛으로 식별될 수 있기 때문에 메탄 센서는 다른 중요한 가스 감지에도 적응될 수 있습니다.