Ученые создали газоанализатор метана лидарного типа для дистанционного зондирования с беспилотника. Прибор рассчитывает концентрацию газа с высокой точностью в единицах ppm⋅м (частей на миллион, умноженных на метр). Его можно использовать для поиска места утечки природного газа из магистральных газопроводов и экологического мониторинга местности. Результаты опубликованы в журнале Sensors and Actuators B: Chemical.
Прототип ГИМЛИ на борту беспилотного летательного аппарата «Ирбис-432». Источник: журнал Sensors and Actuators B: Chemical
Проблема глобального потепления злободневна, а метан — это один из наиболее активных парниковых газов. Природными источниками атмосферного метана являются, например, болота и таяние ледников Арктики. Также его происхождение связано с деятельностью человека: промышленными выбросами, сельским хозяйством, животноводством и утечками из газопроводов — около 50—65 % мировых выбросов метана связано с антропогенным фактором. В Парижском соглашении предложены меры для ограничения выбросов парниковых газов, связанных с антропогенным фактором. Для достижения поставленных целей необходима разработка оборудования для мониторинга содержания метана в атмосфере с чувствительностью, достаточной для регистрации отклонений концентрации метана от фонового уровня на единицы-десятки процентов.
Применение беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в мониторинге значительно упрощает и удешевляет процесс получения данных. Но существующие датчики имеют ряд недостатков, например, низкое время отклика, невысокую чувствительность к выбранному газу и подверженность влиянию на сигнал других атмосферных газов. Эти ограничения и ограничения, связанные с качеством используемых моделей, в совокупности могут приводить к недооценке объема выбросов метана в атмосферу в 1.5—2 раза.
В основе нового газоанализатора лежит метод модуляционной лазерной спектроскопии. Оценка концентрации метана в атмосфере происходит благодаря эффекту поглощения выбранным газом маломощного лазерного излучения на определенной длине волны. Лазерное излучение в приборе разделяется на два канала: аналитический и опорный. Опорный сигнал необходим для динамической стабилизации длины волны лазерного излучения, что позволяет значительно увеличить чувствительность устройства. Сигнал аналитического канала несет информацию о содержании метана.
«В ходе работы, начатой в 2019 году, мы создали прототип газоанализатора ГИМЛИ, предназначенный для дистанционного зондирования атмосферного метана с борта беспилотного летательного аппарата», — рассказал Вячеслав Мещеринов, ведущий инженер Научно-технического центра мониторинга окружающей среды и экологии МФТИ.
Автономный прототип ГИМЛИ. Источник: журнал Sensors and Actuators B: Chemical
При проведении полевых испытаний прототипа газоанализатора ГИМЛИ ученые оценили его работу в полете и стационарном положении. Физики проводили испытания во все сезоны, характерные для средних широт. Прибор показал работоспособность в диапазоне температур от минус 20 °C до +30 °C как в условиях сухого воздуха, так и при небольших осадках.
Основной режим работы газоанализатора заключается в измерении интегральной концентрации фонового метана в полете. Сигнал газоанализатора стабилен на временных интервалах в пределах десятков секунд, чего, по мнению разработчиков, более чем достаточно при работе устройства на борту БПЛА.
Прототип ГИМЛИ продемонстрировал точность измерений, превосходящую аналогичный показатель существующих дистанционных газоанализаторов, пригодных к установке на легкие БПЛА, на высотах более 50 метров за счет выбранного метода. Рабочая частота прибора равна 19 Гц. Это значит, что каждую секунду прибор 19 раз проводит полный цикл обработки сигнала, рассеянного от поверхности Земли.
Разработанный прототип ГИМЛИ позволяет измерять интегральную концентрацию метана с разрешением 15 ppm⋅м на высоте 50 м, что составляет примерно 7 % от содержания метана в атмосферном воздухе. С подобной точностью прибор работает в диапазоне высот 40—120 м, при этом самостоятельно определяя расстояние до поверхности.
«Внедрение разработанного газоанализатора для дистанционного мониторинга метана в зонах как естественных, так и антропогенных выбросов существенно облегчит процесс мониторинга. Это позволит экономически эффективно и оперативно детектировать утечки на газопроводах, оценивать качество воздуха вблизи опасных производств, а также в регионах с естественными источниками эмиссии метана, например, в Арктике и на заболоченных территориях», — пояснил Вячеслав Мещеринов.
В работе принимали участие ученые из МФТИ, Института космических исследований РАН (ИКИ РАН), Института лесоведения РАН (ИЛ РАН) и Института проблем экологии и эволюции им. А. Н. Северцова РАН (ИПЭЭ РАН).
