Um laser seletivo

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 1573 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Um sensor baseado em laser infravermelho médio é relatado para a quantificação de emissões fugitivas de metano. O sensor é baseado em um laser em cascata de realimentação distribuído entre bandas operando próximo a 3,3 μm. O ajuste do comprimento de onda com análise cepstral é empregado para isolar a absorção de metano de (1) flutuações na intensidade do laser de linha de base e (2) espécies interferentes. A análise Cepstral cria uma forma modificada do sinal de decaimento de indução livre molecular (m-FID) no domínio do tempo para separar temporariamente as respostas ópticas e moleculares. O sensor desenvolvido é insensível às imperfeições da intensidade do laser de linha de base e à interferência espectral de outras espécies. Medições precisas de metano na presença de uma espécie interferente representativa, benzeno, são realizadas pela seleção cuidadosa do índice de varredura (relação entre a faixa de ajuste do laser e a largura da linha espectral) e o tempo inicial e final do ajuste do sinal m-FID. O limite mínimo de detecção do sensor é de ~ 110 ppm, que pode ser aprimorado com uma cavidade óptica. A estratégia de detecção proposta pode ser utilizada para medir vazamentos de metano em ambientes hostis e na presença de espécies interferentes em aplicações de monitoramento ambiental.

O metano tem importantes aplicações astrofísicas devido à sua presença significativa em muitos sistemas planetários1 e foi detectado na atmosfera de Saturno, Titã, Júpiter, Urano, Marte e Plutão2. Traços de metano na respiração humana podem ser usados ​​como um biomarcador para problemas intestinais e fermentação colônica3.

O metano é o terceiro gás de efeito estufa mais importante na atmosfera da Terra depois do vapor d'água e do dióxido de carbono4, e sua concentração vem aumentando constantemente devido às atividades antrópicas5. As emissões antrópicas de metano são quase o dobro das de fontes naturais6, de modo que o metano é um alvo fundamental para a redução dos estoques de gases de efeito estufa. O Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCG) pediu aos formuladores de políticas que desenvolvessem métodos para medir e limitar as emissões de gases do aquecimento global7. O metano é um dos principais contribuintes para as mudanças climáticas e seu potencial de aquecimento global é ~ 25 vezes maior em comparação com o CO28. A redução das emissões de metano é essencial, pois o metano contribui para ~ 25% do aquecimento atual9. A adoção urgente de estratégias de mitigação pode diminuir a taxa de aquecimento e ajudar a evitar um aumento de 0,25 °C até 2050 e mais de 0,5 °C até 210010. Uma miríade de tecnologias de detecção foi desenvolvida para mitigar as emissões de metano11.

O metano é o principal constituinte (\(\sim \) 90%) do gás natural (GN). Explosões acidentais em misturas de GN/ar são muito caras em termos de vidas, materiais e saúde mental das pessoas12. A explosão de Richmond Hill em 2012 ocorreu devido a vazamentos maciços de metano, que se acumulou em uma área parcialmente fechada, que se incendiou e levou a uma catástrofe13. Explosões astrofísicas têm sido associadas a transições de deflagração para detonação (DDT), que foram investigadas em canais contendo misturas de metano/ar12.

A espectroscopia de absorção fornece medições quantitativas não intrusivas em vários sistemas14,15. Numerosos sensores de absorção a laser foram desenvolvidos para detecção de metano em aplicações de detecção de gás. Esses sensores foram desenvolvidos nas regiões do infravermelho médio e próximo do espectro de absorção do metano. As fontes de laser de infravermelho médio estão sendo cada vez mais empregadas, pois as forças de absorção da maioria dos hidrocarbonetos são ordens de magnitude mais altas no infravermelho médio em comparação com a região do infravermelho próximo16,17,18. Absorção direta e técnicas fotoacústicas têm sido empregadas para desenvolver sensores atmosféricos de metano usando lasers de diodo de feedback distribuído (DFB) operando na região do infravermelho próximo em torno de 1,6 μm para acessar a banda 2v3 do metano19,20,21,22. Além disso, sensores de metano de infravermelho médio foram relatados usando fontes de geração de frequência de diferença (DFG) que emitem cerca de 3,3–3,4 μm para cobrir a banda rovibracional de metano v323,24,25,26,27. Recentemente, os lasers de cascata quântica (QCLs) permitiram a detecção de metano próximo a 8 μm visando a banda ν4 do metano28,29,30,31.