Le processus d'extraction du gaz naturel de la terre ou de son transport par pipelines peut libérer du méthane dans l'atmosphère. Méthane, le composant principal du gaz naturel, est un gaz à effet de serre dont le potentiel de réchauffement est environ 25 fois supérieur à celui du dioxyde de carbone, ce qui le rend très efficace pour piéger l'énergie thermique atmosphérique. Un nouveau spectromètre de méthane sur puce, c'est plus petit qu'un centime, pourrait un jour faciliter la surveillance de l'efficacité et des fuites sur de grandes surfaces.

Des scientifiques du centre de recherche IBM Thomas J. Watson à Yorktown Heights, NEW YORK, développé le nouveau spectromètre à méthane, qui est plus petit que les spectromètres standard d'aujourd'hui et plus économique à fabriquer. Dans Optique , Le journal de l'Optical Society pour la recherche à fort impact, les chercheurs détaillent le nouveau spectromètre et montrent qu'il peut détecter du méthane à des concentrations aussi faibles que 100 parties par million.

Faible entretien, fort impact

Le spectromètre est basé sur la technologie photonique sur silicium, ce qui signifie qu'il s'agit d'un dispositif optique en silicium, le matériau utilisé pour fabriquer des puces informatiques. Parce que les mêmes méthodes de fabrication à haut volume utilisées pour les puces informatiques peuvent être appliquées pour fabriquer le spectromètre de méthane à base de puces, le spectromètre avec un boîtier et une batterie ou une source d'énergie solaire peut coûter aussi peu que quelques centaines de dollars s'il est produit en grande quantité.

« Par rapport au coût de plusieurs dizaines de milliers de dollars des capteurs optiques de détection de méthane actuellement disponibles dans le commerce, la fabrication en volume se traduirait par une proposition de valeur significative pour le spectromètre à puce, " dit William Green, chef de l'équipe de recherche d'IBM. "De plus, sans pièces mobiles et sans exigence fondamentale pour un contrôle précis de la température, ce type de capteur pourrait fonctionner pendant des années sans presque aucun entretien."

Si bon marché, des spectromètres robustes pourraient conduire à de nouvelles applications passionnantes. Par exemple, l'équipe IBM travaille avec des partenaires de l'industrie pétrolière et gazière sur un projet qui utiliserait les spectromètres pour détecter les fuites de méthane, économisant aux entreprises le temps et l'argent nécessaires pour essayer de trouver et de réparer les fuites grâce à l'inspection en personne de milliers de sites.

« Lors de l'extraction et de la distribution de gaz naturel, le méthane peut s'échapper dans l'air lorsque l'équipement du puits fonctionne mal, les soupapes se coincent, ou il y a une fissure dans le pipeline, " a déclaré Green. " Nous développons un moyen d'utiliser ce spectromètre sur puce pour créer un réseau de capteurs qui pourraient être distribués sur une plate-forme de puits, par exemple. Les données de ces capteurs seraient traitées avec le logiciel d'analyse physique d'IBM pour localiser automatiquement l'emplacement d'une fuite et quantifier l'ampleur de la fuite."

Le méthane est un gaz trace, la classification donnée aux gaz qui représentent moins de 1 pour cent du volume de l'atmosphère terrestre. Bien que les chercheurs aient démontré la détection du méthane, la même approche pourrait être utilisée pour détecter la présence d'autres gaz traces individuels. Il pourrait également être utilisé pour détecter plusieurs gaz simultanément.

"Notre vision à long terme est d'intégrer ces types de capteurs dans la maison et les objets que les gens utilisent tous les jours comme leurs téléphones portables ou leurs véhicules. Ils pourraient être utiles pour détecter la pollution, niveaux dangereux de monoxyde de carbone ou d'autres molécules d'intérêt, " a déclaré Eric Zhang, un membre de l'équipe de recherche. "Parce que ce spectromètre offre une plateforme de détection multi-espèces, il pourrait aussi un jour être utilisé pour la surveillance de la santé grâce à l'analyse de l'haleine. »

Rétrécissement du spectromètre

Le nouveau dispositif utilise une approche connue sous le nom de spectroscopie d'absorption, qui nécessite une lumière laser à la longueur d'onde uniquement absorbée par la molécule mesurée. Dans une configuration de spectroscopie d'absorption traditionnelle, le laser se déplace dans l'air, ou en espace libre, jusqu'à ce qu'il atteigne un détecteur. La mesure de la lumière qui atteint le détecteur révèle la quantité de lumière absorbée par les molécules d'intérêt dans l'air et peut être utilisée pour calculer la concentration de celles-ci présentes.

Le nouveau système utilise une approche similaire, mais au lieu d'une configuration en espace libre, le laser se déplace à travers un guide d'ondes en silicium étroit qui suit un motif en serpentin de 10 centimètres de long au-dessus d'une puce mesurant 16 millimètres carrés. Une partie de la lumière est piégée à l'intérieur du guide d'ondes tandis qu'environ 25 % de la lumière s'étend à l'extérieur du silicium dans l'air ambiant, où il peut interagir avec des traces de molécules de gaz passant à proximité du guide d'ondes du capteur. Les chercheurs ont utilisé une lumière laser proche infrarouge (longueur d'onde de 1650 nanomètres) pour la détection du méthane.

Pour augmenter la sensibilité de l'appareil, les enquêteurs ont soigneusement mesuré et contrôlé les facteurs qui contribuent au bruit et aux faux signaux d'absorption, peaufiné la conception du spectromètre et déterminé les paramètres géométriques du guide d'ondes qui produiraient des résultats favorables.

Comparaison côte à côte

Pour comparer les performances du nouveau spectromètre avec celles d'un spectromètre en espace libre standard, ils ont placé les appareils dans une chambre environnementale et ont libéré des concentrations contrôlées de méthane. Les chercheurs ont découvert que le spectromètre à puce offrait une précision comparable à celle du capteur d'espace libre malgré une interaction de 75 % de lumière en moins avec l'air par rapport à la conception en espace libre. Par ailleurs, la sensibilité fondamentale du capteur à puce a été quantifiée en mesurant le plus petit changement discernable de concentration de méthane, montrant des performances comparables aux spectromètres en espace libre développés dans d'autres laboratoires.

« Bien que les systèmes photoniques au silicium, en particulier ceux qui utilisent des changements d'indice de réfraction pour la détection, aient déjà été explorés, la partie innovante de notre travail a été d'utiliser ce type de système pour détecter des signaux d'absorption très faibles à partir de faibles concentrations de méthane, et notre analyse complète du bruit et des limites de détection minimales de notre puce de capteur, " dit Zhang.

La version actuelle du spectromètre nécessite que la lumière entre et sorte de la puce via des fibres optiques. Cependant, les chercheurs travaillent à incorporer la source lumineuse et les détecteurs sur la puce, ce qui créerait un dispositif essentiellement électrique sans connexion par fibre optique requise. Contrairement aux capteurs d'espace libre actuels, la puce ne nécessite alors pas d'échantillon ou de préparation optique particulier. L'année prochaine, ils prévoient de commencer à tester les spectromètres sur le terrain en les plaçant dans un réseau plus vaste comprenant d'autres capteurs standard.

"Notre travail montre que toutes les connaissances derrière la fabrication de la photonique sur silicium, emballage, et la conception des composants peut être introduite dans l'espace du capteur optique, pour construire de gros volumes fabriqués et, en principe, capteurs à faible coût, permettant finalement un tout nouvel ensemble d'applications pour cette technologie, " dit Vert.