Πολλά από τα απόβλητά μας είναι πολύτιμα για να αποτεφρωθούν. Εάν ανακυκλωθούν με προσεκτικά ελεγχόμενο τρόπο, όχι μόνο μπορεί να παραχθεί θερμική ενέργεια, αλλά το αέριο που προκύπτει μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή πολύτιμων χημικών ουσιών – από υδρογόνο έως μεθάνιο ή μεθανόλη. Ωστόσο, η διαδικασία παραγωγής αερίου πρέπει να παρακολουθείται στενά και να ρυθμίζεται.
Μέχρι τώρα, ένα πολύ κοινό υποπροϊόν της αεριοποίησης -οι υδρατμοί- ήταν ένας ιδιαίτερος πονοκέφαλος. Για να ελέγχετε αποτελεσματικά την αεριοποίηση, είναι σημαντικό να γνωρίζετε την περιεκτικότητα σε νερό του αέριου προϊόντος όσο το δυνατόν ακριβέστερα. Ωστόσο, οι συμβατικές μέθοδοι καθιστούν δύσκολη τη μέτρηση της περιεκτικότητας σε νερό. Σε μια συνεργασία μεταξύ της μηχανικής διεργασιών και της φωτονικής στο TU Wien (Βιέννη), αυτό το πρόβλημα έχει πλέον λυθεί χρησιμοποιώντας έναν πολύ ειδικό τύπο πηγής φωτός: την ακτινοβολία terahertz από ένα κβαντικό λέιζερ καταρράκτη. Η κβαντική τεχνολογία αιχμής υποστηρίζει πλέον τη φιλική προς το περιβάλλον ανακύκλωση βιομάζας.
Δεν αρκούν
«Πολλά χημικά συστατικά του αερίου προϊόντος μπορούν να ανιχνευθούν χρησιμοποιώντας υπέρυθρο φως», εξηγεί ο Florian Müller, ο οποίος ερευνά συστήματα ανανεώσιμων πηγών άνθρακα ως μέρος του διδακτορικού προγράμματος CO2Refinery στο Institute of Chemical, Environmental and Biological Engineering στο TU Wien. «Διαφορετικά μόρια απορροφούν διαφορετικά μήκη κύματος υπέρυθρου φωτός. Μετρώντας ποιο μέρος του μήκους κύματος απορροφάται από ένα δείγμα, είναι δυνατό να προσδιοριστεί εάν το δείγμα περιέχει μια συγκεκριμένη ουσία ή όχι».
Ωστόσο, αυτό είναι δύσκολο να γίνει με τους υδρατμούς, ένα υποπροϊόν που είναι ιδιαίτερα σημαντικό για τη διαδικασία παραγωγής αερίου. «Όταν μετατρέπετε τη βιομάζα σε αέρια, καταλήγετε σε ένα περίπλοκο μείγμα αερίων που περιέχει όχι μόνο υδρατμούς, αλλά και πολλούς διαφορετικούς υδρογονάνθρακες», λέει ο Florian Müller. Και μερικά από αυτά απορροφούν την υπέρυθρη ακτινοβολία στις ίδιες ακριβώς συχνότητες με το νερό.
Αυτό σημαίνει ότι δεν είναι δυνατό να ειπωθεί ακριβώς ποια ουσία είναι υπεύθυνη για την απορρόφηση και επομένως η περιεκτικότητα σε νερό στο αέριο του προϊόντος δεν μπορεί να προσδιοριστεί με ακρίβεια. Μπορείτε να ψύξετε ένα δείγμα αερίου και στη συνέχεια να μετρήσετε την ποσότητα του συμπυκνωμένου νερού – αλλά αυτό απαιτεί χρόνο. Δεν είναι δυνατό να αντιδράσουμε γρήγορα σε κυμαινόμενες συγκεντρώσεις νερού και αυτό δυσχεραίνει την αποτελεσματική λειτουργία.
Την ίδια στιγμή, ωστόσο, ο Michael Jaidl διεξήγαγε έρευνα στο Ινστιτούτο Φωτονικής στο TU Wien για ακτίνες λέιζερ στην περιοχή terahertz, δηλαδή ακτινοβολία με μήκος κύματος ελαφρώς μεγαλύτερο από την υπέρυθρη ακτινοβολία που χρησιμοποιείται συνήθως σήμερα για φασματοσκοπικές μετρήσεις. Ο Michael Jaidl και ο Florian Müller είναι παλιοί φίλοι που γνωρίζονται από τα σχολικά χρόνια – και έτσι σκέφτηκαν να συνδυάσουν τους ερευνητικούς τους τομείς.
Ο Michael Jaidl μπόρεσε να δείξει ότι μπορούν να βρεθούν συχνότητες στην περιοχή terahertz που απορροφώνται ειδικά μόνο από μόρια νερού και όχι από πολλές άλλες ουσίες που υπάρχουν σε σημαντικές συγκεντρώσεις στο αέριο προϊόντος μιας μονάδας αεριοποίησης βιομάζας. Το πρόβλημα της ανίχνευσης υδρατμών μπορεί επομένως να λυθεί χρησιμοποιώντας ακτινοβολία terahertz αντί της συνηθισμένης υπέρυθρης ακτινοβολίας.
Η ακτινοβολία terahertz
Στο TU Wien, τεχνάσματα από την κβαντική τεχνολογία χρησιμοποιούνται για την παραγωγή κβαντικών λέιζερ καταρράκτη – μικροσκοπικοί ημιαγωγοί με προσαρμοσμένη γεωμετρική δομή σε κλίμακα νανομέτρων που διασφαλίζει ότι μόνο ακτινοβολία ενός πολύ συγκεκριμένου μήκους κύματος εκπέμπεται όταν εφαρμόζεται ηλεκτρική τάση. Αυτό το κβαντικό λέιζερ καταρράκτη απαιτεί τη δική του ψύξη, αλλά οι δύο ερευνητές κατάφεραν να αναπτύξουν μια συμπαγή, φορητή συσκευή που μπορεί να μετρήσει αξιόπιστα την περιεκτικότητα σε νερό σε θερμά αέρια προϊόντος χρησιμοποιώντας μια δέσμη terahertz.
«Ένα βασικό πλεονέκτημα της μεθόδου μας είναι ότι παρέχει αξιόπιστα αποτελέσματα σε ένα ευρύ φάσμα συγκεντρώσεων υδρατμών και θερμοκρασιών», λέει ο Michael Jaidl. «Αυτό συμβαίνει επειδή η ακτινοβολία terahertz που χρησιμοποιούμε απορροφάται ιδιαίτερα από τους υδρατμούς – αυτό μας επιτρέπει να χρησιμοποιούμε μια πιο συμπαγή διάταξη. Ένα άλλο σημαντικό πλεονέκτημα του συμπαγούς σχεδιασμού είναι ότι η θερμοκρασία στο κελί μέτρησης δεν κυμαίνεται τόσο πολύ, γεγονός που μειώνει τον κίνδυνο σφαλμάτων».
Το γεγονός ότι η νέα μέθοδος λειτουργεί τέλεια αποδείχθηκε σε πειράματα παραγωγής αερίου με χρήση απορριμμάτων ξύλου στην πανεπιστημιούπολη Getreidemarkt στο TU WIen. Τώρα οι δύο ερευνητές και οι ομάδες τους θέλουν να βελτιώσουν ακόμη περισσότερο την τεχνολογία τους: πρώτον, να την κάνουν ακόμα πιο εύχρηστη και φιλική προς τον χρήστη, και δεύτερον, να διερευνήσουν εάν άλλα συστατικά των αερίων του προϊόντος μπορούν να ανιχνευθούν αξιόπιστα χρησιμοποιώντας τεχνολογία terahertz.
Πηγή: ScienceDaily, 18 Μαρτίου 2025 | Έρευνα: Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Βιέννης
Εφημερίδα Απογευματινή
