До сих пор особой головной болью был очень распространенный побочный продукт газификации - водяной пар. Для эффективного управления газификацией важно как можно точнее знать содержание воды в газообразном продукте. Однако традиционные методы затрудняют измерение содержания воды. В сотрудничестве между технологами и фотониками из TU Wien (Вена) эта проблема была решена с использованием совершенно особого типа источника света: терагерцового излучения квантового каскадного лазера. Современная квантовая технология теперь поддерживает экологически чистую переработку биомассы.

Обычных измерений недостаточно

"Многие химические компоненты газообразного продукта можно обнаружить с помощью инфракрасного излучения", - объясняет Флориан Мюллер, который занимается исследованием возобновляемых углеродных систем в рамках докторской программы CO2Refinery в Институте химической, экологической и биологической инженерии в TU Wien. "Разные молекулы поглощают инфракрасный свет с разной длиной волны. Измеряя, какая часть длины волны поглощается образцом, можно определить, содержит ли образец определенное вещество или нет."

Однако это трудно сделать с водяным паром, побочным продуктом, который особенно важен для процесса производства газа. "Когда вы преобразуете биомассу в газы, в конечном итоге вы получаете сложную газовую смесь, которая содержит не только водяной пар, но и множество различных углеводородов", - говорит Флориан Мюллер. И некоторые из них поглощают инфракрасное излучение точно на тех же частотах, что и вода. Это означает, что невозможно точно сказать, какое вещество отвечает за абсорбцию, и, следовательно, содержание воды в газообразном продукте не может быть точно определено. Вы можете охладить пробу газа, а затем измерить количество конденсированной воды, но это требует времени. Невозможно быстро отреагировать на колебания концентрации воды, и это затрудняет эффективную эксплуатацию.

Венский университет разрабатывает источники терагерцового излучения

Однако в то же время Майкл Джайдл проводил исследования в Институте фотоники Венского университета по лазерным лучам в терагерцовом диапазоне, то есть излучению с длиной волны, немного превышающей инфракрасное излучение, обычно используемое сегодня для спектроскопических измерений. Майкл Джайдл и Флориан Мюллер - старые друзья, которые знают друг друга со школьных времен, и поэтому им пришла в голову идея объединить свои исследовательские направления.

Майклу Джайдлу удалось показать, что можно найти частоты в терагерцовом диапазоне, которые специфически поглощаются только молекулами воды, а не многими другими веществами, которые присутствуют в значительных концентрациях в газообразном продукте установки газификации биомассы. Таким образом, проблема обнаружения водяного пара может быть решена с помощью терагерцового излучения вместо обычного инфракрасного излучения.

Терагерцовое излучение трудно получить. В TU Wien приемы квантовой технологии используются для создания квантовых каскадных лазеров - крошечных полупроводников с индивидуальной геометрической структурой в нанометровом масштабе, которая гарантирует, что при подаче электрического напряжения испускается только излучение с очень определенной длиной волны. Этот квантовый каскадный лазер требует собственного охлаждения, но двум исследователям удалось разработать компактное портативное устройство, которое может надежно измерять содержание воды в горячих газообразных продуктах с помощью терагерцового луча.

Первые успешные испытания

"Ключевым преимуществом нашего метода является то, что он обеспечивает надежные результаты в широком диапазоне концентраций водяного пара и температур", - говорит Майкл Джайдл. "Это связано с тем, что используемое нами терагерцовое излучение особенно сильно поглощается водяным паром - это позволяет нам использовать более компактную установку. Еще одним важным преимуществом компактной конструкции является то, что температура в измерительной ячейке колеблется не так сильно, что снижает риск ошибок."

Тот факт, что новый метод работает идеально, был продемонстрирован в экспериментах по производству газа с использованием древесных отходов в кампусе Getreidemarkt в TU WIen. Теперь оба исследователя и их команды хотят еще больше усовершенствовать свою технологию: во-первых, сделать ее еще более удобной для пользователя, а во-вторых, исследовать, можно ли надежно обнаружить другие компоненты газов продукта с помощью терагерцовой технологии.