Naukowcy z Wydziału Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów zwyciężyli w organizowanym przez PGNiG konkursie na opracowanie czujnika do pomiaru stężenia wodoru w gazie ziemnym. Ich urządzenie jest dokładniejsze, tańsze i bardziej uniwersalne niż stosowane dotychczas rozwiązania.

Konkurs został ogłoszony w związku z budowaną przez PGNiG testowej instalacji umożliwiającej produkcję tzw. „zielonego wodoru”, a także z prowadzonymi przez spółkę badaniami proporcji i warunków, w jakich gaz ziemny i wodór mogą być mieszane i przesyłane za pośrednictwem sieci dystrybucyjnej. Proces ten wymaga kontroli oraz zabezpieczenia przed przekroczeniem określonego stężenia wodoru, a do tego niezbędne są odpowiednie czujniki.

Takim właśnie innowacyjnym rozwiązaniem okazał się jonizacyjny miernik wodoru zbudowany przez zespół naukowców z Politechniki Wrocławskiej, którym kierował dr hab. inż. Paweł Knapkiewicz, prof. uczelni z Katedry Mikrosystemów.

– Celem badań w naszym zespole jest opracowanie miniaturowych instrumentów analitycznych, które wykorzystują technologie MEMS. Przez ostatnich kilka lat rozwijamy takie instrumenty dla zastosowań kosmicznych. Mogą być one używane np. w kontekście poszukiwania życia na Marsie i wykrywaniu metanu biotycznego i abiotycznego, ale też innych gazów resztkowych – wyjaśnia prof. Paweł Knapkiewicz. – Gdy PGNiG ogłosiło konkurs, zrobiliśmy testy, żeby sprawdzić, czy nasz czujnik jest w stanie wykryć wodór na tle metanu. Okazało się, że „widać” go bardzo dobrze i to w zakresie, który idealnie odpowiada wymaganiom grupy PGNiG – dodaje.

Rozpoznać kolor

Urządzenie opiera się na wykorzystaniu jonizacji gazów. Najlepszym przykładem na opisanie tego procesu jest zorza polarna, czyli zjawisko świetlne obserwowane w górnych warstwach atmosfery, które możemy podziwiać w pobliżu biegunów magnetycznych Ziemi.

– W dużym uproszczeniu – piękne, kolorowe obłoki zorzy to właśnie zjonizowany gaz. Cząsteczki gazu bombardowane są przez kosmiczne promieniowanie jonizujące. W ten właśnie sposób dochodzi do jonizacji – tłumaczy prof. Paweł Knapkiewicz.

Zadaniem czujnika zbudowanego przez naszych naukowców jest więc najpierw zjonizowanie gazu w komorze jonizacyjnej MEMS. Komora jonizacyjna wykonana jest z krzemu i szkła technikami mikroelektronicznymi. Następnie przeprowadzana jest dokładna analiza koloru i intensywności światła, a wszystko po to, żeby można było stwierdzić, z jakim gazem mamy do czynienia.

Trzeba bowiem pamiętać, że każdy gaz „świeci” innym kolorem, co automatycznie pozwala na jego rozpoznanie. I tak np. argon „świeci” na fioletowo-niebiesko, hel na różowo, neon na pomarańczowo, a wodór na czerwono. Oczywiście jest to duże uproszczenie ponieważ efektem jonizacji jest widmo, czyli kilka pików (kolorów świecenia) w określonym zakres długości fali – w tym przypadku w zakresie światła widzialnego.

Przygotowany na potrzeby PGNiG miernik musiał spełniać określone wymagania. Pomiar zakładał m.in. udział wodoru w gazie ziemnym na poziomie do 23 proc., a dokładność pomiaru musiała być lepsza niż 0,3 proc. Kolejny warunek zakładał, żeby urządzenie można było stosowane w już istniejących sieciach dystrybucyjnych.

– Ważny był też koszt nowego rozwiązania w odniesieniu do aktualnie stosowanych chromatografów gazowych. Według naszych szacunków pojedynczy egzemplarz urządzenia to ok. 1/3 ceny chromatografu gazowego. Przyznam, że obawiałem się, że czynnik ceny może być dominujący. Jednak jakość pomiaru oraz wszechstronność miernika sprawiła, że prezentowane przez nas rozwiązanie nie miało konkurencji. Nasz czujnik jest w stanie wykryć nie tylko wodór, ale też inne substancje gazowe zanieczyszczające gaz ziemny – podkreśla prof. Paweł Knapkiewicz.

Zwycięstwo w konkursie, oprócz nagrody finansowej w wysokości 15 tys. zł, oznacza także zaproszenie do rozmów na temat wdrożenia opracowanego czujnika w prowadzonych przez PGNiG projektach badawczo-rozwojowych. Pierwsze spotkanie na temat ewentualnej współpracy zaplanowano na koniec stycznia.

Nadzór mentorski nad projektem prowadził prof. Jan Dziuban. Za opracowanie i rozwój głowicy jonizacyjnej odpowiadali dr hab. inż. Tomasz Grzebyk, prof. uczelni i dr Piotr Szyszka. Natomiast częścią elektroniczną, oprogramowaniem oraz integracją wszystkich elementów zajmowali się prof. Paweł Knapkiewicz oraz doktorant Rafał Bilkowski.

Współpraca z NASA

Warto podkreślić, że badania nad analizatorem składu gazów z jonizacyjną komorą pomiarową MEMS dla zastosowań kosmicznych prowadzone są w Katedrze Mikrosystemów od wielu lat. Potencjał nowatorskiej metody analizy gazów został już dostrzeżony przez Jet Propulsion Laboratory (JPL), czyli jedno z najważniejszych centrów badawczych NASA.

– Po ponad dwóch latach wspólnych prac projektowych z JPL powstała dojrzała koncepcja wykorzystania spektrometru jonizacyjnego MEMS (po niezbędnych zmianach konstrukcyjnych) w eksploracji Marsa, Wenus, Tytana a w przyszłości Neptuna – mówi prof. Jan Dziuban. – Temat ten został uznany za bardzo ważny dla NASA. Otrzymaliśmy list intencyjny z JPL, co jest wyjątkowym zdarzeniem, biorąc pod uwagę politykę naukową i realizacyjną tego centrum badawczego, potwierdzający wolę współdziałania w ustanowieniu i przeprowadzeniu wspólnego projektu naukowego, którego wynikiem będą instrumenty do badania składu gazowego wspomnianych ciał niebeskich – dodaje.

mic