Laser wykryje truciznę z 2,5 km. Przełom w monitoringu powietrza

To może wywrócić monitoring powietrza do góry nogami. Nowy spektrometr UV błyskawicznie namierza trujące gazy z precyzją, która jeszcze niedawno była zarezerwowana dla laboratoriów.

Zanieczyszczone powietrze zwykle kojarzymy z pyłem, dymem i szarą zawiesiną nad miastem. Problem jest jednak głębszy, bo część najgroźniejszych substancji jest niewidoczna i wymaga bardzo precyzyjnych pomiarów. Naukowcy z Graz University of Technology opracowali kompaktowy spektrometr laserowy, który potrafi rozpoznawać gazowe zanieczyszczenia po ich optycznym odcisku palca i mierzyć je z odległości choćby 2,5 km.

To nie zwykły czujnik smogu

Opracowane urządzenie nie działa jak typowy miernik jakości powietrza, który można postawić na balkonie i sprawdzać poziom pyłów PM2,5. To znacznie bardziej zaawansowany sprzęt. Wykorzystuje światło ultrafioletowe i służy do wykrywania konkretnych gazów obecnych w powietrzu.

Ma to bardzo duże znaczenie, bo smog jest tak naprawdę mieszaniną wielu problemów. Są w nim pyły zawieszone, tlenki azotu, ozon, lotne związki organiczne i inne składniki zależne od miejsca, pogody, ruchu samochodowego, przemysłu oraz ogrzewania. Nowy system najlepiej pasuje do śledzenia tych zanieczyszczeń, które da się rozpoznać po tym, jak pochłaniają światło.

Naukowcy pokazali to na przykładzie formaldehydu. To toksyczny lotny związek organiczny obecny m.in. w emisjach przemysłowych, spalinach, dymie ze spalania biomasy i procesach chemii atmosferycznej. Jest istotny nie tylko dlatego, iż szkodzi ludziom, ale też dlatego, iż uczestniczy w reakcjach prowadzących do powstawania wtórnych aerozoli i ozonu troposferycznego.

Dla tego lasera smog nie jest więc szarą zasłoną wiszącą nad miastem. To zbiór pojedynczych podejrzanych, z których każdy zostawia własny ślad w ultrafiolecie. jeżeli cząsteczka pochłonie światło w charakterystyczny sposób, to spektrometr może wskazać ją niemal jak po odcisku palca.

Każda trucizna ma własny optyczny odcisk palca

Zasada działania urządzenia opiera się na spektroskopii, czyli badaniu tego, jak materia pochłania lub emituje światło. Cząsteczki gazu nie są biernymi kuleczkami unoszącymi się w powietrzu. Mają własną strukturę energetyczną. Gdy trafi w nie światło o odpowiedniej długości fali, mogą pochłonąć część energii i przejść w określony stan wzbudzenia.

W przypadku nowego spektrometru chodzi o przejścia w ultrafiolecie, połączone z ruchem obrotowym i drganiowym cząsteczek. Fizycy określają je jako przejścia rowibronowe. Każda substancja pochłania światło w trochę inny sposób. Jej widmo działa jak kod kreskowy. o ile laser prześle światło przez powietrze, a detektor sprawdzi, których częstotliwości po drodze ubyło, można ustalić, jakie gazy znajdowały się na trasie wiązki.

W zaproponowanym rozwiązaniu zespół z TU Graz używa nie jednego zwykłego lasera, ale techniki dual-comb. Dwa bardzo regularne grzebienie częstotliwości świetlnych pozwalają jednocześnie uzyskać wysoką precyzję i bardzo szybki pomiar. System potrafi zbierać dane w czasie około 0,5 s.

Dwa grzebienie światła robią pomiar w pół sekundy

Nazwa dual-comb spectroscopy bierze się od tzw. grzebieni częstotliwości. To źródła światła, których widmo składa się z wielu bardzo regularnie rozmieszczonych linii, przypominających zęby grzebienia. Gdy wykorzysta się dwa takie grzebienie o nieco różnych parametrach, można bardzo dokładnie przełożyć informacje z zakresu optycznego na sygnał łatwiejszy do analizy elektronicznej.

Największa zaleta takiego rozwiązania polega na połączeniu cech, które zwykle trudno mieć naraz. System ma szeroki zakres pomiarowy, wysoką rozdzielczość i krótki czas akwizycji. W publikacji mowa o rozdzielczości 1 GHz, szerokości pasma 12 THz i czasie pomiaru 500 ms. To parametry, które pozwalają wyłapywać bardzo drobne szczegóły w widmie gazu.

Klasyczny pomiar może widzieć zanieczyszczenie jako rozmytą plamę. Spektrometr z TU Graz widzi znacznie drobniejsze linie i dzięki temu może rozpoznać substancję dokładniej. W przypadku formaldehydu udało się zaobserwować wzory absorpcji, których wcześniejsze urządzenia nie potrafiły eksperymentalnie rozdzielić.

Urządzenie zmalało do rozmiaru pudła

Pierwsza wersja systemu powstała około 2 lata wcześniej i była dużym układem laboratoryjnym. To normalne przy przełomowych technologiach optycznych. Na początku wszystko zajmuje stół, wymaga stabilizacji, wielu elementów i specjalistycznej obsługi. Teraz badaczom udało się zmniejszyć urządzenie do rozmiaru kartonowego pudła przeprowadzkowego.

Jednym z ważniejszych powodów jest zmiana architektury lasera. Nowa wersja wykorzystuje jedno źródło laserowe do generowania podwójnego impulsu zamiast dwóch osobnych laserów wymagających skomplikowanej stabilizacji. To zmniejsza rozmiar układu, upraszcza elektronikę i przybliża technologię do mobilnych pomiarów w terenie.

Spektrometr może pracować w terenie – przy fabryce, na obrzeżach miasta, w okolicy dużych gospodarstw rolnych czy tam, gdzie istnieje ryzyko wycieku gazu. Jego zasięg sięga choćby 2,5 km, więc nie analizuje tylko powietrza tuż obok urządzenia. Potrafi sprawdzić, co dzieje się na całej trasie wiązki lasera, obejmując znacznie większy fragment atmosfery. To może zmienić sposób monitorowania zanieczyszczeń. Zamiast punktowego pomiaru w jednym miejscu dostajemy możliwość śledzenia gazów na dłuższej trasie.

Miasto, fabryka, pole. Tam taki laser ma po prostu sens

Najbardziej oczywiste zastosowanie nowego urządzenia to oczywiście monitoring powietrza w miastach i strefach przemysłowych. System mógłby wykrywać gazowe zanieczyszczenia szybciej i dokładniej, niż wiele klasycznych metod. Oznacza to możliwość śledzenia emisji z zakładów, wykrywania niekontrolowanych wycieków albo sprawdzania, jak zanieczyszczenia rozchodzą się w zależności od wiatru i zabudowy.

Z kolei w rolnictwie takie rozwiązanie mogłoby pomagać w pomiarach gazów związanych z nawożeniem, hodowlą i procesami biologicznymi. W przemyśle chemicznym mogłoby działać jako system kontroli instalacji. W badaniach atmosferycznych pozwoliłoby lepiej mierzyć gwałtownie zmieniające się stężenia substancji, które biorą udział w reakcjach fotochemicznych.

Najciekawsze jest jednak to, iż jedna technologia może łączyć monitoring środowiska i bezpieczeństwo przemysłowe. jeżeli urządzenie potrafi gwałtownie rozpoznać konkretny gaz na dłuższej trasie, może być użyte zarówno do badań jakości powietrza, jak i do wykrywania nieszczelności w instalacjach.

Zespół już teraz pracuje też nad możliwością oznaczania kilku zanieczyszczeń w jednym pomiarze. Pamiętajmy, iż powietrze nigdy nie zawiera jednej substancji. Jest mieszaniną gazów, par, aerozoli i produktów reakcji chemicznych. Prawdziwie użyteczne narzędzie musi radzić sobie właśnie z taką mieszaniną.

*Źródło grafiki wprowadzającej: Canva Pro, TU Graz