Biztonságos hidrogén a láthatáron
A tiszta és megújuló energiára való törekvésben a hidrogén még mindig fontos szerepet játszik. Ennek az átmenetnek az egyik legnagyobb biztonságtechnikai kihívása azonban az, hogy a gáz levegővel keveredve robbanásveszélyes. Emiatt kulcsfontosságú, hogy a hidrogénszivárgást a lehető legkorábban észlelni lehessen. A Chalmers Műszaki Egyetem, a Vrije Universiteit Amsterdam és az Eindhoveni Műszaki Egyetem kutatói most olyan optikai érzékelőt fejlesztettek ki, amely képes érzékelni a rekordalacsony hidrogénszintet.
A hidrogént a nehéz szállítási szektor szén-dioxid-mentesítésének fontos részének tekintik, és világszerte hidrogénüzemű vonatokat, teherautókat és repülőgépeket fejlesztenek és alkalmaznak. A hidrogént még a nehéziparban is nagyon fontosnak tartják, például a fosszilis mentes acél előállításához.
A hidrogén tárolásának vagy felhasználásának kockázatai jól ismertek. Mindössze négy százalék hidrogén szükséges a levegőben egy robbanásveszélyes keverék (durranógáz) kialakulásához, amely a legkisebb szikrára is meggyullad. Ezért fontos, hogy rendkívül érzékeny érzékelők legyenek a helyükön a szivárgások és a kritikus szinteken történő riasztás figyelésére.
A biztonság rendkívül fontos a hidrogénhasználat során
A svédországi Chalmers Műszaki Egyetem Fizikai Tanszékének kutatói holland kollégákkal közösen kifejlesztettek egy optikai hidrogénérzékelőt, amely rekordalacsony hidrogénszintet érzékel. Így csatlakozik a világ legprecízebb érzékelőihez. Az új kutatási eredményeket a Nature Communications cikke ismerteti.
„A biztonság rendkívül fontos a hidrogén minden felhasználása és tárolása során. Ha korán észlelik a szivárgásokat, kijavíthatók, így remélhetőleg egyáltalán nem kell forgalomból kivonni az üzemet vagy a járművet” – mondja Christoph Langhammer, a Chalmers professzora, a tudományos cikk egyik fő szerzője.
Az AI-technológia élen jár
Az optikai hidrogén-érzékelő számos fém nanorészecskéből áll, amelyek együttesen érzékelik a környezetükben lévő hidrogént. Az új érzékelő tervezésének megközelítése eltér a korábbiaktól. Ahelyett, hogy nagyszámú mintát állítottak volna elő, és külön-külön tesztelték volna, hogy melyik működik a legjobban, a kutatók fejlett mesterséges intelligencia technológiát alkalmaztak, hogy optimális kölcsönhatást teremtsenek a részecskék között egymástól való távolságuk, átmérőjük és vastagságuk alapján. Az eredmény egy olyan érzékelő, amely a hidrogénkoncentráció néhány százezred százalékos változását is érzékeli.
Az új érzékelő alacsony érzékelési határának titka a részecskék felületen való szabályos mintázat szerinti elrendezése és finomhangolt méreteik kombinációja. Ez kedvezőbbnek bizonyult a szenzor érzékenysége szempontjából, mint a korábbi, azonos típusú érzékelőknél alkalmazott véletlenszerű részecskeelrendezés.
Langhammer kutatócsoportja korábban már bemutathatta a világ leggyorsabb hidrogénérzékelőjét. Számára egyértelmű, hogy sok különböző típusú érzékelőre van szükség, és ezeket konkrét alkalmazásokhoz kell optimalizálni.
„A hidrogénnel kapcsolatos technológia óriási ugrást tett, ezért a mai érzékelőknek pontosabbnak és különböző célokra szabottnak kell lenniük. Néha nagyon gyors érzékelőre van szükség, néha olyanra, amely kemény vegyi környezetben vagy alacsony hőmérsékleten működik. Egyetlen szenzortervezés nem képes minden igényt kielégíteni” – mondja Langhammer, aki egyben a TechForH2 új kompetenciaközpont egyik alapítója is.
Ahogyan az optikai hidrogénérzékelő működik
A kutatók által kifejlesztett szenzor egy optikai jelenségen, a plazmonokon alapul, amelyek akkor keletkeznek, amikor a fém nanorészecskék felfogják a fényt, és megkülönböztető színt adnak a részecskéknek. Ha a nanorészecskék palládiumból vagy palládiumötvözetből készülnek, a színük megváltozik, ha a hidrogén mennyisége a környezetben változik, és az érzékelő riasztást indíthat, ha a szintek kritikussá válnak.
Az érzékelőben lévő részecskék felületének és geometriájának tökéletes kombinációjának megtalálásához a kutatók mesterséges intelligencia-algoritmust alkalmaztak, amelyet részecskeraj-optimalizálásnak neveztek, hogy a lehető legnagyobb érzékenységet érjék el a hidrogénnel szemben. A részecskék nagyon pontosan meghatározott szabályos mintázatba történő elhelyezése bizonyult a jó megoldásnak.
Az AI-tervezés alapján olyan optimalizált optikai hidrogén-érzékelőt gyártották és igazolták, mely az első a maga nemében – hiszen optikailag érzékeli a hidrogént a ppb (“részecske a milliárdból”) tartományban tartományban (250 ppb).
