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

Des chercheurs ont mis au point 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 de nombreux secteurs, car ce gaz contribue au réchauffement climatique et à la pollution de l'air.

Les industries agricoles et des déchets émettent d'importantes quantités de méthane, ce qui est également essentiel pour l'industrie pétrolière et gazière pour des raisons à la fois environnementales et économiques, car le gaz naturel est principalement composé de méthane.

Des chercheurs de l'Université de Princeton et du U.S. Naval Research Laboratory ont présenté 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 plus puissantes qui émettent de la lumière dans l'infrarouge moyen. Les chercheurs espèrent que cela ouvrira éventuellement la porte à des mesures de méthane à faible coût, précises et sensibles. Les capteurs pourraient être utilisés pour mieux comprendre les émissions de méthane des élevages et des exploitations laitières et permettre une surveillance plus précise et plus complète de la crise climatique.

Les capteurs laser sont actuellement la référence en matière de détection de méthane, mais ils coûtent entre 10 000 et 100 000 dollars chacun. Un réseau de capteurs qui détecte les fuites dans une décharge, une installation pétrochimique, une usine de traitement des eaux usées ou une ferme 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 dispositifs disponibles. Pour améliorer considérablement la sensibilité et développer un système pratique de surveillance du méthane, les chercheurs ont utilisé un nouvel ICLED développé au U.S. Naval Research Laboratory.

Les ICLED qu'ils ont développées émettent environ dix fois plus de puissance que les LED à infrarouge moyen disponibles dans le commerce et pourraient potentiellement être produites en série. Selon les chercheurs, cela pourrait activer des capteurs basés sur ICLED qui coûtent moins de 100 $ par capteur.

Pour mesurer le méthane, le nouveau capteur mesure la lumière infrarouge transmise dans l'air pur sans méthane et la compare à la transmission dans 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 à âme 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 se déplace le long de 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.

Pour tester le nouveau capteur, les chercheurs ont introduit des concentrations connues de méthane dans la fibre à âme 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 un excellent accord avec les normes calibrées et le capteur à base de laser.

Selon les chercheurs, ce niveau de précision est suffisant pour surveiller les émissions à proximité des sources de pollution au méthane. Un ensemble de ces capteurs pourrait être installé pour mesurer les émissions de méthane dans les grandes installations, permettant aux opérateurs de détecter les fuites et de les atténuer de manière abordable et rapide.

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 à âme creuse. Ils étudieront également comment les conditions météorologiques extrêmes et les changements d'humidité et de température ambiantes pourraient affecter le système. Étant donné que la plupart des gaz à effet de serre et de nombreux autres produits chimiques peuvent être identifiés à l'aide d'une lumière infrarouge moyenne, le capteur de méthane pourrait également être adapté pour détecter d'autres gaz importants.