Egy Apró Detektáló Chip Képes önállóan Megtalálni A Metánszivárgást

Az IBM hamarosan terepi tesztet hajt végre, amely szerint az olaj- és gázkutak betétjeiből szivárog a metán.

Múlt héten Pres. Donald Trump végrehajtási parancsot adott ki a nemzet visszavonására az éghajlatváltozással szembeni fellépésektől. Az egyik célkitűzés az USA Környezetvédelmi Ügynöksége és az Obama-féle Földgazdálkodási Iroda által meghatározott metánkibocsátási szabály volt. A szabályok előírják, hogy az olaj- és gázipar működése során ellenőrizzék a metánkibocsátást, amely egy erős üvegházhatású gáz. Trump parancsa arra utasítja az ügynökségeket, hogy vizsgálják felül ezeket a szabályokat, és esetleg átírják vagy teljesen megszabaduljanak tőlük.

Trump nyilatkozata ellenére a városok, államok és vállalatok továbbra is meg akarják szüntetni a metánszivárgást az iparban, mert a gáz rontja a globális felmelegedést és alacsonyabb bevételeket szivárog. Ezért fejlesztik a kutatók azt a technológiát, amely szerintük segíthet: egy apró chip a metánkibocsátás folyamatos ellenőrzésére.

Noha az Egyesült Államok sokkal kevesebb metánt bocsát ki, mint a CO2, az előbbi 100-szoros időszakonként 25-szer nagyobb felmelegedési potenciált jelent fontonként. Az olaj- és gázgyártók ebből a gázból többet bocsátanak ki, mint bármely más ipari tevékenység az Egyesült Államokban, és ennek jelentős része a berendezések szivárgásából származik olyan helyeken, mint a kútpárnák, ahol fúrás és kitermelés történik. Ma az ipar drága, nem hatékony módszert alkalmaz a szivárgások figyelemmel kísérésére: az infravörös kamerákat, amelyek költsége az aníznek el kell küldenie egy embert, hogy manuálisan vizsgálja meg a berendezéseket a gázszökés érdekében. "Ezek a kamerák drágák, és egy-két órába telik egy kútpad elkészítése, négy-hat óra egy kompresszorállomáshoz, és ez egy egész nap lehet egy feldolgozó üzem számára" - magyarázza Doug Jordan, a vállalati környezetvédelmi program igazgatója a Southwestern Energy. "Nagyon erőforrás-igényes." A vállalatok ezeket az ellenőrzéseket általában csak negyedévente, évente egyszer hajtják végre. Ha például egy berendezés azonnal felmérés után szivárogni kezd, hónapokig észrevétlen maradhat. Továbbá egy kamera csak elég érzékeny lehet nagyobb szivárgások elkapására, esetleg kisebbek hiányozhatnak.

Az IBM tudósai és mérnökei a Harvard és a Princeton egyetem kutatóival együttműködve egy öt-öt milliméter méretű miniatűr szenzor chipet dolgoztak ki, amely folyamatosan figyeli a metánt. A kis szilícium ostyán elhelyezett érzékelő tartalmaz egy lézert és egy szilícium optikai kábelt, amely a lézerfényt azon keresztül vezeti át. * E fény egy része a kábelen kívül a levegőbe ragyog; amikor a metánmolekulák az érzékelő fölött lengnek, elnyelik a fény meghatározott hullámhosszát, egyedi aláírást hozva létre. "A módszerünket a fényelnyelés nagyon kis változásainak észlelésére terveztük" - magyarázza William Green, az IBM szilícium-integrált nanofotonikus csoportjának vezetője. Ez az információ visszakerül a chip fotodetektorába, amely az aláírást elektromos jellé alakítja. "Feltérképezzük az abszorpciót és kitaláljuk, mennyi metán van" - mondja Green.

Az olaj- és gázipari vállalatok ezen érzékelők marékát különféle helyeken, egy kútpad vagy kompresszorállomás körül helyezik el, egymástól 10 és 100 láb között. Az egész rendszer vezeték nélküli, ami kritikus jelentőségű, mert az olaj- és gázüzemek gyakran távol vannak egymástól. Amikor a környezetet folyamatosan figyelő chipek szivárgást észlelnek, ezeket az adatokat automatikusan elküldik az IBM felhőalapú számítógépeire. A számítógépek az IBM által jelenleg kidolgozott fizikai modellekre támaszkodnak, amelyek olyan összetett dinamikát ötvöznek, mint a szél turbulenciája, a páratartalom, a magasság és a hőmérséklet a metán eredetének meghatározásához. A rendszer végül beépíti a gépi tanulást is, hogy segítsen a modellezés javításában.

Miután az IBM modelljei meghatározták a szivárgás forrását, a vállalatok azonnal kiküldhetik az embereket, hogy megoldják. "Az egyik előnye, hogy valós időben riaszt, és időbélyeggel látja el, és földrajzilag azonosítja" - magyarázza Norma Sosa, az IBM kognitív IoT rendszereinek és technológiáinak menedzsere. Annak érdekében, hogy a rendszert még autonómabbá és karbantartásmentesebbé tegyék, az érzékelő rendszer le tudja dolgozni a napenergiát. A kutatás az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Fejlett Kutatási Projektek Ügynöksége – Energia (ARPA – E) által finanszírozott program része.

Néhány kereskedelmi eszköz már létezik a metán kimutatására. Ide tartoznak az olaj- és gázipar által használt infravörös kamerák, valamint az egyes érzékelők, amelyek ugyanazon a lézerfény-abszorpciós technikán alapulnak, amelyet az IBM használ, bár az IBM chipjének és intelligens rendszerének kialakítása és felépítése egyedülálló. Ráadásul Green szerint a ma forgalomban lévő metán-érzékelők nagyon drágák, nagyok és sok energiát igényelnek. "Lehetetlen elképzelni, hogy [ezekből] az érzékelőkből álló hálózatot telepítsenek, nem is beszélve egy-egy ilyen műszerről minden kútpadnál a folyamatos ellenőrzés céljából" - magyarázza. - A költségek túl magasak. Az IBM új metán-érzékelőjét olcsónak tervezte - arra törekszik, hogy az aniák nagy számban fel tudják állítani ezeket, ahol csak szükségük van rájuk. "Ez az újfajta chip-léptékű érzékelők valóban érdekesek" - mondja Daniel Zimmerle, a Colorado Állami Egyetem Villamosenergia-rendszerek Laboratóriumának igazgatója és a metánkibocsátás-vizsgáló és -értékelő központ vezető kutatója. "Még nem tesztelt, de az áron mozgatja a tűt."

Az IBM jelenleg házon belül teszteli szenzorát, és az adatmodelljeit és a kapcsolódó alkatrészeket ezen a nyáron, Coloradóban tervezi tesztelni. A tárgyalások során kísérleti tesztet is lefuttatnak a Southwestern Energy kútpadjainak legalább egyikén. Az IBM ennek a technológiának más lehetőségeket is elképzel. A vállalat szerint érzékelői egy napon megfigyelhetik a jármű kipufogógáz-szennyezőit vagy a vízszennyeződéseket, észlelhetik a vulkánok körüli kémiai változásokat, vagy akár elemezhetik valakinek a leheletét a betegség biomarkerei szempontjából. "Ez a távoli jövő jövőképe" - mondja Green. A kutatók egyelőre megelégednek az éghajlatváltozás kezelésével.

* A szerkesztő megjegyzése (2017.04.07.): Ezt a mondatot a közzététel után szerkesztették. Az eredeti helytelenül azonosította a kábelt üvegként, mint szilícium optikaként.