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碳中和催生黑科技：TDLAS+激光雷達強強聯(lián)手！甲烷泄漏無所遁形
英國布里斯托爾大學(xué)所衍生出的QLM技術(shù)公司開發(fā)了一種基于量子光譜技術(shù)的氣體成像儀器。該設(shè)備稱為QLM-1，讓來自石油和天然氣行業(yè)的的重要溫室氣體——甲烷泄漏——無所遁形。
“這款相機使用最進的量子光譜技術(shù)來‘看到不可見的氣體分子’”英國研究與創(chuàng)新部（UKRI）商業(yè)化量子技術(shù)挑戰(zhàn)總監(jiān)Roger McKinlay說。
一種新型的量子光譜氣體成像技術(shù)讓破壞環(huán)境的甲烷泄漏無所遁形（圖片來源：UKRI）
該傳感器使用一種稱為可調(diào)諧二極管激光雷達（Tunable Diode Lidar, TDLidar）的新技術(shù)，該技術(shù)將可調(diào)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(guān)單光子計數(shù)（Time Correlated Single Photon Counting, TCSPC）的優(yōu)勢結(jié)合，實現(xiàn)了基于低功率半導(dǎo)體二極管激光器的遠程氣體光譜分析和測距。該團隊的第一個TDLidar甲烷傳感器在隨機調(diào)制連續(xù)波（RM-CW）激光雷達系統(tǒng)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。
相較于現(xiàn)有基于激光的甲烷測量系統(tǒng)通常使用復(fù)雜且昂貴的反射鏡陣列，將光反射到傳統(tǒng)檢測器中。QLM產(chǎn)品使用的SPAD探測器足夠靈敏，可以僅探測幾個光子，而且無需鏡子提供反射回波。
這項工作由英國的工業(yè)戰(zhàn)略挑戰(zhàn)基金旗下的商業(yè)化量子技術(shù)挑戰(zhàn)項目資助，是兩年期的研究項目——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(shù)計劃的一部分，據(jù)QLM網(wǎng)宣稱，這個技術(shù)將使其氣體可視化解決方案*商業(yè)化。
QLM在其網(wǎng)站上表示：“SPLICE項目的總體目標是成功開發(fā)行業(yè)實用化的單光子激光雷達氣體成像儀器，并可用于連續(xù)氣體泄漏檢測和溫室氣體監(jiān)測。”該項目的三個關(guān)鍵目標是實現(xiàn)遠距離條件下的高精度測量、產(chǎn)品實用性和廣泛適用性，以及可擴展和低成本的技術(shù)。該項目資金將用于產(chǎn)品研發(fā)、現(xiàn)場試驗、工藝優(yōu)化和商業(yè)路演等。到項目結(jié)束時，QLM氣體成像相機和配件將*投用于石油、天然氣、以及環(huán)境科學(xué)行業(yè)，從而在設(shè)施規(guī)模上地改變監(jiān)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，甲烷作為溫室氣體的效力是二氧化碳的84倍。此外，科學(xué)家估計，如果從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(yīng)，將使天然氣的環(huán)保性比煤炭還要低。
在實際應(yīng)用場景中，過去的監(jiān)測方法通常囿于太長的反應(yīng)時間，并且難以準確測量甲烷的泄漏。嶄新的甲烷氣體成像系統(tǒng)可以遠距離連續(xù)檢測、量化和模擬泄漏的發(fā)展，還可以監(jiān)控排放率并創(chuàng)建氣體泄漏位置的精確地圖，并在氣體泄漏時立即通知工廠操作員。這些優(yōu)勢都是對與當前檢測方法的重大改進。
QLM席執(zhí)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(xù)和大規(guī)模地測量甲烷，無法測量的東西是沒辦法管理的。”“問題的規(guī)模是巨大的，僅在北美就有超過50萬口活躍的氣井，以及成千上萬的海上鉆井平臺和儲氣設(shè)施。在英國，我們有24個主要的管道壓縮機站，為長距離天然氣管道供能，以及數(shù)百個地上儲存裝置。所有的設(shè)備都可能在某個時候發(fā)生泄漏。”
與此同時，謝菲爾德大學(xué)、阿斯頓大學(xué)和布里斯托爾大學(xué)正在努力擴大新傳感器可以檢測的氣體范圍，以包括許多其他溫室氣體。這開啟了在農(nóng)業(yè)和其他產(chǎn)業(yè)使用該技術(shù)的可能性。
作為SPLICE項目的補充，QLM與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成像系統(tǒng)安裝在無人機上的檢測和量化甲烷排放的能力。基于對人眼安全的紅外半導(dǎo)體激光器，對環(huán)境進行的激光掃描將可以構(gòu)建物體和氣體分子的3D圖片，準確顯示泄漏的位置和大小。
QLM的TDLidar甲烷傳感器示意圖：激光掃描可以構(gòu)建物體和氣體分子的3D圖片，準確顯示泄漏的位置和大小