Водород рассматривается как важная часть декарбонизации сектора тяжелого транспорта, и по всему миру разрабатываются и внедряются поезда, грузовики и самолеты, работающие на водороде. Даже в тяжелой промышленности водород считается очень важным, например, для производства стали, не содержащей ископаемого топлива.

Риски, связанные с хранением или использованием водорода, хорошо известны. Всего четыре процента водорода требуется в воздухе для образования взрывоопасной смеси (knallgas), которая может воспламениться при малейшей искре. Поэтому важно, чтобы были установлены сверхчувствительные датчики для контроля утечек и сигнализации на критических уровнях.

Безопасность, имеющая первостепенное значение при использовании водорода

Вместе с голландскими коллегами исследователи с физического факультета Технологического университета Чалмерса, Швеция, в настоящее время разработали оптический датчик водорода, который обнаруживает рекордно низкие уровни водорода. Таким образом, он присоединяется к самым чувствительным датчикам в мире. Новые результаты исследования представлены в статье в журнале Nature Communications.

"Безопасность имеет первостепенное значение при любом использовании и хранении водорода. Если утечки обнаруживаются на ранней стадии, их можно устранить, так что, надеюсь, вам вообще не придется выводить установку или транспортное средство из эксплуатации", - говорит профессор Чалмерса Кристоф Лангхаммер, один из главных авторов научной статьи.

Технология искусственного интеллекта проложила путь

Оптический датчик водорода состоит из множества металлических наночастиц, которые работают вместе для обнаружения водорода в окружающей среде. Подход к разработке нового датчика отличается от того, что было сделано ранее. Вместо того, чтобы производить большое количество образцов и тестировать их по отдельности, чтобы увидеть, какой из них работает лучше всего, исследователи использовали передовую технологию искусственного интеллекта для создания оптимального взаимодействия между частицами на основе их расстояния друг до друга, диаметра и толщины. В результате получается датчик, который обнаруживает изменения концентрации водорода, которые составляют всего несколько сотых тысячных процента.

Секрет низкого предела обнаружения нового датчика заключается в сочетании правильного расположения частиц на поверхности и их точно настроенных размеров. Это оказалось более благоприятным для чувствительности датчика, чем случайное расположение частиц, использовавшееся в предыдущих датчиках того же типа.

Исследовательская группа Кристофа Лангхаммера ранее смогла представить самый быстрый в мире датчик водорода. Для него очевидно, что требуется много различных типов датчиков и что они должны быть оптимизированы для конкретных применений.

"Технология, связанная с водородом, совершила гигантский скачок, и поэтому современные датчики должны быть более точными и адаптированными для различных целей. Иногда требуется очень быстрый датчик, иногда требуется датчик, работающий в агрессивной химической среде или при низких температурах. Конструкция одного датчика не может удовлетворить все потребности", - говорит Кристоф Лангхаммер, который также является одним из основателей нового центра компетенций TechForH2.

Промышленность и научные круги в новом сотрудничестве по водороду

Новый центр, возглавляемый Чалмерсом, объединяет научные круги и промышленность для разработки новой водородной технологии с акцентом на декарбонизацию систем тяжелого транспорта. TechForH2 возглавляет профессор кафедры механики и морских наук Томас Гренштедт из Чалмерса.

"Когда исследовательское сообщество и промышленность объединятся, это может вывести нас на новый уровень, так что то, что мы производим, может быть применено и отвечать потребностям и вызовам, существующим в отрасли. Это относится к разработке датчиков, а также к исследованиям, связанным с приводом тяжелых транспортных средств или самолетов, использующих газообразный водород", - говорит Томас Гренштедт, который упоминает, что электрический самолет с дальностью полета 500 километров мог бы увеличить свою дальность до 3000 километров, если бы он был оснащен водородом.

Как работает оптический датчик водорода

Разработанный исследователями датчик основан на оптическом явлении - плазмонах, которые возникают, когда металлические наночастицы улавливают свет и придают частицам отчетливый цвет. Если наночастицы изготовлены из палладия или палладиевого сплава, их цвет меняется при изменении количества водорода в окружающей среде, и датчик может подать сигнал тревоги, если уровни становятся критическими.

Чтобы найти оптимальное сочетание расположения на поверхности и геометрии частиц в датчике, исследователи использовали алгоритм искусственного интеллекта, называемый оптимизацией роя частиц, для достижения максимально возможной чувствительности к воздействию водорода. Решением оказалось размещение частиц в очень точно определенном регулярном порядке.

На основе искусственного интеллекта был изготовлен и проверен оптимизированный оптический датчик водорода, который является первым в своем роде, оптически обнаруживающим водород в диапазоне "частей на миллиард" (250 ppb).

Новый датчик основан на оптическом явлении плазмонах, которое возникает, когда металлические наночастицы улавливают свет и придают частицам отчетливый цвет. Этот цвет меняется, когда количество водорода в окружающей среде меняется, и датчик может подавать сигнал тревоги при критических уровнях.

Подробнее об исследовании

Научная статья с обратным дизайном плазмонной метаповерхности с оптическим обнаружением водорода в частях на миллиард была опубликована в Nature Communications и написана Ферри Анггоро Арди Нугрохо, Пинг Баем, Иваном Дармади, Габриэлем В. Кастелланосом, Иоахимом Фрицше, Кристофом Лангхаммером, Хайме Гомесом Ривасом и Андреа Бальди. Исследователи активно работают в Технологическом университете Чалмерса, Технологическом университете Эйндховена и Врийском университете Амстердама. Исследователи из Врие и Эйндховена разработали дизайн сенсорной поверхности с использованием искусственного интеллекта и охарактеризовали ее оптические свойства, в то время как исследователи из Чалмерса изготовили сенсорную поверхность и провели измерения водородного зондирования.

Практическая применимость нового датчика теперь будет дополнительно исследована в рамках недавно созданного центра компетенций TechForH2, координатором которого является Чалмерс.

Исследование было частично профинансировано Шведским фондом стратегических исследований и Шведским энергетическим агентством. Часть работ проводилась в чистой комнате в Чалмерсе и в Лаборатории анализа материалов Чалмерса (CMAL) под эгидой инициативы Chalmers Excellence Nano.

Подробнее о новом центре компетенций TechForH2

TechForH2 - это центр компетенций в области водородных технологий, который координируется и возглавляется Чалмерсом при участии научно-исследовательских институтов Швеции в качестве академического партнера. В TechForH2 задействован ряд промышленных партнеров: Volvo, Scania, PowerCell, Johnson Matthey, Oxeon, GKN Aerospace, Insplorion, Siemens Energy и Stena.

TechForH2, среди прочего, сосредоточится на интегрированном в транспортные средства накопителе энергии, потребностях обрабатывающей промышленности, датчиках, топливных элементах и технологиях /инструментах и инновациях в будущем водородном обществе.

Центр компетенций получил финансирование в размере 54 миллионов шведских крон от Шведского энергетического агентства и имеет общую заявку в размере 161 миллиона шведских крон на первые пять лет с возможностью продления на пять лет.

При поддержке девяти новых докторантов и восьми исследователей-постдокторантов теперь есть надежда внести свой вклад в накопление знаний и образование в этой области, а также увеличить темпы внедрения новой водородной технологии, чтобы тем самым способствовать переходу к обществу, свободному от ископаемого топлива.