Monitoreo de gases contaminantes por láser y drones

NIST, National Institute of Standards and Technology, ha combinado un instrumento láser que “peina” el aire con un multi-helicóptero o drone volador para escanear y hacer un mapa de los gases atmosféricos a lo largo de distancias kilométricas.

 



Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado Boulder han mostrado un nuevo sistema móvil basado en tierra que podría escanear y mapear las plumas atmosféricas de gases a lo largo de las distancias kilométricas.

El sistema utiliza un instrumento láser, seguro para los ojos, que envía una luz que “peina” el aire desde un multi-helicóptero volador y analiza los colores de la luz absorbida a lo largo del camino para identificar las firmas o señales de los gases en tiempo casi real.

Imagen de drone volador usado en las pruebas

El sistema de “peine y colector” puede ser útil para buscar fugas en campos de petróleo y gas, estudiar la mezcla de emisiones de automóviles y otros gases en el límite entre la superficie de la Tierra y una capa de la atmósfera en niveles bajos o, detectar contaminantes o amenazas químicas y sus fuentes.

Como se describe en Optica, los investigadores utilizaron la luz para medir el dióxido de carbono, el metano y el vapor de agua – gases de efecto invernadero que calientan la atmósfera – a lo largo de un camino de ida y vuelta de 2 kilómetros entre un telescopio en un techo de laboratorio NIST, Boulder, y un retroreflector montado en un avión pequeño, no tripulado.

El multi-helicóptero voló en lugares seleccionados para medir los gases a lo largo de una trayectoria horizontal y a varias altitudes de hasta 120 metros. Los vuelos de mayor altitud son técnicamente factibles pero actualmente están limitados por las reglas de vuelo de vehículos aéreos no tripulados.

Los resultados fueron incluso mejores que la prueba en 2014 del NIST del sistema de peinado con láser sin un multi-helicóptero. Por ejemplo, el nuevo sistema midió los niveles de dióxido de carbono de 1 parte por millón en sólo 60 segundos, en comparación con los 200 segundos anteriores.

“Ahora podemos hacer el mismo tipo de mediciones atmosféricas, con un poco más de sensibilidad, con un sistema que podemos apuntar a donde se quiera”, dijo el químico físico de NIST, Kevin Cossel. “La tecnología y la sensibilidad son prometedoras”.

El instrumento láser utiliza una especia de peine de frecuencias – herramientas de medición compuestas de miles de frecuencias precisas o colores de luz, como los dientes de un peine de cabello – para identificar gases basados ??en las cantidades de colores específicos de la luz absorbida. La prueba de 2014 mostró que la técnica de doble peine puede detectar de forma precisa y reproducible gases en la atmósfera. En ese trabajo, la luz de “peinado” enviada por el telescopio fue devuelta desde un espejo montado en una montaña cercana. Se necesita un reflector para devolver la luz para reforzar la señal antes del análisis por un detector en el telescopio.

La última versión del instrumento incluye varias mejoras, como más potencia, un telescopio mejorado y un retrorreflector ligero (un espejo tridimensional especializado). Los investigadores del NIST también hicieron que el sistema de peine fuera más compacto; ahora es del tamaño de una estufa de cocina, por lo que un vehículo podría transportarlo. Estos cambios, además del uso personalizado, hacen que todo el sistema sea más potente y móvil.

Por toda su experiencia en láser, los científicos del NIST descubrieron que necesitaban colaborar con expertos en vuelo de aviones no tripulados en el equipo de IRISS (Integrated Remote and In Situ Sensing) de la Universidad de Colorado.

“Volar estas cosas resultó ser un reto”, Nathan Newbury comentó. “No es tan fácil volar con varios helicópteros – tienen que ser volados por alguien experto, o de lo contrario la cosa no funcionaria, o peor, se bloquearía. Quienquiera que ha comprado o recibido uno por diversión sabe esto.”

El multi-helicóptero utilizado en el experimento fue equipado con un retrorreflector, así como instrumentos para medir la ubicación, la temperatura y la presión del aire, y la longitud de la trayectoria. El sistema de telescopio debe seguir el movimiento del retrorreflector cuando el drone se mueve y se mueve. Todo el sistema recupera las concentraciones de los gases cada 10 segundos.

El sistema de “peine y helicóptero” complementa la tecnología convencional. Los sensores de punto móviles basados en tierra pueden hacer mapas regionales, pero deben ser conducidos en un vehículo o volar en un avión. Los instrumentos satelitales pueden detectar los gases atmosféricos de forma remota con cobertura global, pero las regiones específicas de la muestra en la Tierra con poca frecuencia y con sólo la resolución espacial grosera.

En un futuro próximo, los investigadores planean utilizar el sistema de peine de vuelo para estudiar la mezcla en la capa límite de la Tierra, una fuente importante de incertidumbre en los modelos atmosféricos y para analizar las emisiones de las instalaciones de petróleo y gas, lo que puede conducir a la formación de ozono.

El sistema de “peine y colector” detecta actualmente las firmas de gas en la banda de infrarrojo cercano del espectro. Los investigadores del NIST esperan extender esa cobertura al infrarrojo medio, lo que incrementaría el número de gases detectables y permitiría aplicaciones como la detección de peligros químicos y amenazas. La luz láser en cualquiera de las bandas no dañará los ojos, lo que significa que es seguro para los usuarios y observadores.

Referencia

K.C. Cossel, E. Waxman, F.R. Giorgetta, M. Cermak, I.R. Coddington, D. Hesselius, S. Ruben, W.C. Swann, G.-W. Truong, G.B. Rieker and N.R. Newbury. Published June 23, 2017. Spatially scanned open-path dual comb spectroscopy to an airborne retroreflector. Optica. DOI: 10.1364/OPTICA.4.000724.

 

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