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    Un nouveau capteur ouvre la voie à des mesures sensibles du méthane à faible coût

    Les chercheurs ont développé un nouveau capteur qui utilise un dispositif d'émission de lumière en cascade interbande (ICLED) et pourrait permettre une détection pratique et peu coûteuse de faibles concentrations de méthane. Crédit :Sameer Khan

    Les chercheurs ont développé un nouveau capteur qui pourrait permettre une détection pratique et peu coûteuse de faibles concentrations de méthane. La mesure des émissions et des fuites de méthane est importante pour diverses industries, car le gaz contribue au réchauffement climatique et à la pollution de l'air.

    « Les industries de l'agriculture et des déchets émettent des quantités importantes de méthane, " a déclaré Mark Zondlo, chef de l'équipe de recherche de l'Université de Princeton qui a développé le capteur. « La détection des fuites de méthane est également essentielle pour l'industrie pétrolière et gazière pour des raisons à la fois environnementales et économiques, car le gaz naturel est principalement composé de méthane. »

    Dans la revue The Optical Society (OSA) Optique Express , des chercheurs de l'Université de Princeton et du U.S. Naval Research Laboratory font la démonstration de leur nouveau capteur de gaz, qui utilise un dispositif d'émission de lumière en cascade interbande (ICLED) pour détecter des concentrations de méthane aussi faibles que 0,1 partie par million. Les ICLED sont un nouveau type de LED de puissance plus élevée qui émet de la lumière dans les longueurs d'onde de l'infrarouge moyen (IR), qui peut être utilisé pour mesurer de nombreux produits chimiques.

    « Nous espérons que cette recherche finira par ouvrir la porte au low-cost, des mesures de méthane précises et sensibles, " dit Nathan Li, premier auteur de l'article. "Ces capteurs pourraient être utilisés pour mieux comprendre les émissions de méthane provenant des fermes d'élevage et laitières et pour permettre une surveillance plus précise et omniprésente de la crise climatique."

    Construire un capteur moins cher

    Les capteurs laser sont actuellement l'étalon-or pour la détection du méthane, mais ils coûtent entre 10 USD, 000 et 100, 000 chacun. Un réseau de capteurs qui détecte les fuites dans une décharge, installation pétrochimique, une usine ou une ferme de traitement des eaux usées serait d'un coût prohibitif à mettre en œuvre à l'aide de capteurs laser.

    Bien que la détection du méthane ait été démontrée avec des LED à infrarouge moyen, les performances ont été limitées par les faibles intensités lumineuses générées par les appareils disponibles. Pour améliorer sensiblement la sensibilité et développer un système pratique de surveillance du méthane, les chercheurs ont utilisé un nouvel ICLED développé par l'équipe de Jerry Meyer au U.S. Naval Research Laboratory.

    Pour augmenter la sensibilité, la lumière infrarouge de l'ICLED haute puissance traverse un mètre de long, fibre creuse contenant un échantillon d'air. L'intérieur de la fibre est recouvert d'argent, ce qui provoque la réflexion de la lumière sur ses surfaces lorsqu'elle descend la fibre jusqu'au photodétecteur (MCT pour détecteur HgCdTe) à l'autre extrémité. Cela permet à la lumière d'interagir avec des molécules supplémentaires de méthane dans l'air, ce qui entraîne une absorption plus élevée de la lumière. Crédit :Nathan Li, université de Princeton

    « Les ICLED que nous avons développées émettent environ dix fois plus de puissance que les LED mid-IR disponibles dans le commerce, et pourrait potentiellement être produit en série, ", a déclaré Meyer. "Cela pourrait permettre des capteurs basés sur ICLED qui coûtent moins de 100 USD par capteur."

    Pour mesurer le méthane, le nouveau capteur mesure la lumière infrarouge transmise par l'air pur sans méthane et la compare à la transmission par l'air contenant du méthane. Pour augmenter la sensibilité, les chercheurs ont envoyé la lumière infrarouge de l'ICLED haute puissance à travers une fibre creuse d'un mètre de long contenant un échantillon d'air. L'intérieur de la fibre est recouvert d'argent, ce qui provoque la réflexion de la lumière sur ses surfaces lorsqu'elle descend la fibre jusqu'au photodétecteur à l'autre extrémité. Cela permet à la lumière d'interagir avec des molécules supplémentaires de méthane dans l'air, ce qui entraîne une absorption plus élevée de la lumière.

    "Les miroirs sont couramment utilisés pour faire rebondir la lumière plusieurs fois pour augmenter la sensibilité du capteur, mais peuvent être encombrants et nécessiter un alignement précis, " a déclaré Li. " Les fibres à âme creuse sont compactes, nécessitent de faibles volumes d'échantillon de gaz et sont mécaniquement flexibles."

    Mesure jusqu'aux capteurs laser

    Pour tester le nouveau capteur, les chercheurs ont injecté des concentrations connues de méthane dans la fibre creuse et ont comparé la transmission infrarouge des échantillons avec des capteurs laser de pointe. Le capteur ICLED a pu détecter des concentrations aussi faibles que 0,1 partie par million tout en montrant une excellente concordance avec les normes étalonnées et le capteur laser.

    « Ce niveau de précision est suffisant pour surveiller les émissions à proximité des sources de pollution au méthane, " a déclaré Li. " Un réseau de ces capteurs pourrait être installé pour mesurer les émissions de méthane dans les grandes installations, permettant aux opérateurs de détecter rapidement et à moindre coût les fuites et de les atténuer."

    Les chercheurs prévoient d'améliorer la conception du capteur pour le rendre pratique pour les mesures sur le terrain à long terme en recherchant des moyens d'augmenter la stabilité mécanique de la fibre creuse. Ils étudieront également comment les conditions météorologiques extrêmes et les changements d'humidité et de température ambiantes peuvent affecter le système. Parce que la plupart des gaz à effet de serre, et bien d'autres produits chimiques, peut être identifié en utilisant la lumière mid-IR, le capteur de méthane pourrait également être adapté pour détecter d'autres gaz importants.


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