Naukowcy z Wojskowej Akademii Technicznej szukali możliwości wykrywania metanu w zakresie długofalowej podczerwieni. "Dłuższe fale skuteczniej przenikają przez warstwy zasłaniające, takie jak aerozole i pyły, co może być istotną zaletą w badaniach atmosfery różnych planet, na przykład Marsa" – mówi płk dr hab. inż. Jacek Wojtas z Instytutu Optoelektroniki WAT, cytowany na stronie uczelni.

Jak tłumaczy, metan uznawany jest za produkt uboczny rozkładu materii organicznej, a jego obecność w atmosferze planety jest traktowana przez naukowców za pierwszy dowód życia. Wykrywanie tego gazu nie jest jednak łatwe, ponieważ występuje on najczęściej w śladowych ilościach. Czujniki, które do tego służą, powinny być zatem niezwykle precyzyjne.

Wymagania te spełniają metody optyczne, które wykorzystują zjawisko absorpcji promieniowania laserowego do pomiaru śladowych stężeń gazów. Zapewniają one bardzo szybkie pomiary, duże zakresy dynamiczne i wysoką selektywność. Co więcej, dzięki różnicowym procedurom pomiarowym, nie są wymagane okresowe kalibracje i wymiana zużytych części. Dzięki najnowszym osiągnięciom w technologiach optoelektronicznych czujniki optyczne mogą być kompaktowe i energooszczędne.

Kosmos i zdrowie

"Metan jest bardzo ważną substancją, ponieważ jest to składnik gazu ziemnego, wykorzystywanego jako źródło paliwa do wytwarzania energii elektrycznej i ogrzewania, drugi po dwutlenku węgla najczęściej występujący gaz cieplarniany, odpowiadający za ponad jedną trzecią dzisiejszego antropogenicznego ocieplenia klimatu" – wyjaśnia prof. Jacek Wojtas.

Szacuje się, że nawet 23 proc. objętości globalnych emisji antropogenicznych metanu w 2020 r. pochodziło z procesu wydobycia węgla. Jest on uwalniany do atmosfery, aby zmniejszyć ryzyka wybuchu. Może również pochodzić ze źródeł naturalnych, takich jak tereny podmokłe lub być generowanym przez działalność człowieka, w tym przez rolnictwo i gospodarkę ściekową.

Metan jest również ważnym składnikiem wydychanego przez ludzi powietrza, co może wskazywać na stany chorobowe, takie jak dysbioza jelit, przewlekłe zapalenie trzustki, wzdęcia czynnościowe, biegunka, zaparcia i podejrzewane zespoły złego wchłaniania. Dlatego potrzebne są czułe i niezawodne czujniki do dokładnego monitorowania zanieczyszczenia środowiska, zapewnienia jego czystości jako paliwa, lokalizowania wycieków z rurociągów przesyłowych i diagnozowania chorób ludzkich poprzez analizę oddechu.

Nowe przyrządy z krajowych komponentów

Obecnie optyczne przyrządy do wykrywania metanu wykorzystują głównie zakres spektralny krótkofalowej i średniofalowej podczerwieni. Wyniki pierwszej demonstracji wykrywania niewielkich ilości metanu w długofalowej podczerwieni zostały opisane w czasopiśmie Measurement. 

Naukowcy z zespołu prof. Wojtasa zidentyfikowali niestosowane wcześniej pasmo absorpcyjne, uzyskali granicę wykrywalności 0,063 ppb (od angielskiego parts per bilion, co oznacza liczbę części na miliard) przy krótkim czasie uśredniania wynoszącym 28,1 sekundy oraz osiągneli blisko dwa razy lepszą selektywność niż w wypadku najczęściej wybieranego pasma. Autor badańpodkreśla, że układ eksperymentalny umożliwiał pomiary współczynników absorpcji w szerokim zakresie długości fal oraz dla różnych ciśnień.

"Chciałbym, aby była możliwość wdrożenia nie tylko wyników tych badań, lecz także wielu innych, które przeprowadziliśmy razem z moim zespołem. Ich celem zawsze są wymierne efekty oraz utylitarność, a także dążenie do opracowania innowacyjnych produktów, w których kluczowymi elementami są krajowe komponenty" – podsumował prof. Jacek Wojtas.

Nauka w Polsce

kol/ zan/