英國布裏斯托爾大學所衍生出的QLM技術公司開發了一種基於(yu) 量子光譜技術的氣體(ti) 成像儀(yi) 器。該設備稱為(wei) QLM-1,讓來自石油和天然氣行業(ye) 的的重要溫室氣體(ti) ——甲烷泄漏——無所遁形。
“這款相機使用最進的量子光譜技術來‘看到不可見的氣體(ti) 分子’”英國研究與(yu) 創新部(UKRI)商業(ye) 化量子技術挑戰總監Roger McKinlay說。
一種新型的量子光譜氣體(ti) 成像技術讓破壞環境的甲烷泄漏無所遁形(圖片來源:UKRI)
該傳(chuan) 感器使用一種稱為(wei) 可調諧二極管激光雷達(Tunable Diode Lidar, TDLidar)的新技術,該技術將可調諧二極管激光吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS)、差分吸收激光雷達(Differential Absorption Lidar, DIAL)、和時間相關(guan) 單光子計數(Time Correlated Single Photon Counting, TCSPC)的優(you) 勢結合,實現了基於(yu) 低功率半導體(ti) 二極管激光器的遠程氣體(ti) 光譜分析和測距。該團隊的第一個(ge) TDLidar甲烷傳(chuan) 感器在隨機調製連續波(RM-CW)激光雷達係統中,使用波長在甲烷分子吸收線附近1.6509 μm的近紅外激光器和珀爾帖冷卻單光子雪崩二極管(Single Photon Avalanche Diode, SPAD)探測器。
相較於(yu) 現有基於(yu) 激光的甲烷測量係統通常使用複雜且昂貴的反射鏡陣列,將光反射到傳(chuan) 統檢測器中。QLM產(chan) 品使用的SPAD探測器足夠靈敏,可以僅(jin) 探測幾個(ge) 光子,而且無需鏡子提供反射回波。
這項工作由英國的工業(ye) 戰略挑戰基金旗下的商業(ye) 化量子技術挑戰項目資助,是兩(liang) 年期的研究項目——碳排放單光子激光雷達成像(Single Photon Lidar Imaming of Carbon Emissions, SPLICE)——的成果。SPLICE是英國國家量子技術計劃的一部分,據QLM網宣稱,這個(ge) 技術將使其氣體(ti) 可視化解決(jue) 方案*商業(ye) 化。
QLM在其網站上表示:“SPLICE項目的總體(ti) 目標是成功開發行業(ye) 實用化的單光子激光雷達氣體(ti) 成像儀(yi) 器,並可用於(yu) 連續氣體(ti) 泄漏檢測和溫室氣體(ti) 監測。”該項目的三個(ge) 關(guan) 鍵目標是實現遠距離條件下的高精度測量、產(chan) 品實用性和廣泛適用性,以及可擴展和低成本的技術。該項目資金將用於(yu) 產(chan) 品研發、現場試驗、工藝優(you) 化和商業(ye) 路演等。到項目結束時,QLM氣體(ti) 成像相機和配件將*投用於(yu) 石油、天然氣、以及環境科學行業(ye) ,從(cong) 而在設施規模上地改變監測甲烷和二氧化碳的方式。
值得一提的是,如果釋放到大氣中,甲烷作為(wei) 溫室氣體(ti) 的效力是二氧化碳的84倍。此外,科學家估計,如果從(cong) 油氣井中提取天然氣的過程中有3.2% 的甲烷(天然氣的主要成分)泄漏到大氣中,其造成的溫室效應,將使天然氣的環保性比煤炭還要低。
在實際應用場景中,過去的監測方法通常囿於(yu) 太長的反應時間,並且難以準確測量甲烷的泄漏。嶄新的甲烷氣體(ti) 成像係統可以遠距離連續檢測、量化和模擬泄漏的發展,還可以監控排放率並創建氣體(ti) 泄漏位置的精確地圖,並在氣體(ti) 泄漏時立即通知工廠操作員。這些優(you) 勢都是對與(yu) 當前檢測方法的重大改進。
QLM席執行官Murray Reed表示:“石油和天然氣*已承諾大幅減少其甲烷排放量,然而沒有人能夠正確、連續和大規模地測量甲烷,無法測量的東(dong) 西是沒辦法管理的。”“問題的規模是巨大的,僅(jin) 在北美就有超過50萬(wan) 口活躍的氣井,以及成千上萬(wan) 的海上鑽井平台和儲(chu) 氣設施。在英國,我們(men) 有24個(ge) 主要的管道壓縮機站,為(wei) 長距離天然氣管道供能,以及數百個(ge) 地上儲(chu) 存裝置。所有的設備都可能在某個(ge) 時候發生泄漏。”
與(yu) 此同時,謝菲爾德大學、阿斯頓大學和布裏斯托爾大學正在努力擴大新傳(chuan) 感器可以檢測的氣體(ti) 範圍,以包括許多其他溫室氣體(ti) 。這開啟了在農(nong) 業(ye) 和其他產(chan) 業(ye) 使用該技術的可能性。
作為(wei) SPLICE項目的補充,QLM與(yu) Inzpire Limited合作開展搭載在無人機上的甲烷測量試驗,評估其激光雷達氣體(ti) 成像係統安裝在無人機上的檢測和量化甲烷排放的能力。基於(yu) 對人眼安全的紅外半導體(ti) 激光器,對環境進行的激光掃描將可以構建物體(ti) 和氣體(ti) 分子的3D圖片,準確顯示泄漏的位置和大小。
QLM的TDLidar甲烷傳(chuan) 感器示意圖:激光掃描可以構建物體(ti) 和氣體(ti) 分子的3D圖片,準確顯示泄漏的位置和大小