Opracowanie innowacyjnych laserowych detektorów gazów niebezpiecznych, to główny cel projektu GADEIRE realizowanego przez naukowców z PWr we współpracy z partnerami z Francji i Belgii. Badania otrzymały dofinansowanie NCN w ramach konkursu M-ERA.NET.

Raport Europejskiej Agencji Środowiska (EOG) z października 2019 r. jednoznacznie wskazuje, że zanieczyszczenie powietrza stanowi globalne zagrożenie dla zdrowia ludzi oraz środowiska. Zwłaszcza jeśli weźmiemy pod uwagę fakt, że niebezpieczne substancje uwalniane lokalnie rozprzestrzeniają się w atmosferze, obniżając jakość powietrza także w innych krajach.

Dane zawarte w raporcie wskazują, że chociaż jakość powietrza w Europie stale się poprawia, to jednak znaczna część populacji UE w dalszym ciągu żyje w obszarach cechujących się nieakceptowalnymi poziomami zanieczyszczeń powietrza. Badania jednoznacznie dowodzą, że długotrwałe przebywanie w takich rejonach powoduje nieodwracalne szkody u organizmów żywych. Szacuje się przy tym, że podwyższone stężenie dwutlenku azotu (>10 µg/m3 ) doprowadzi do blisko 270 tys. przedwczesnych zgonów rocznie. Stan powietrza ma więc ogromny wpływ na jakość życia Europejczyków i gospodarkę UE, a monitorowanie jego jakości jest w interesie wszystkich państw.

Raport EOG wyraźnie wskazuje również trend inwestycyjny UE w zakresie ochrony środowiska i zdrowia ludzkiego, którego głównym założeniem będzie systematyczne zwiększanie liczby stacji monitorujących jakość powietrza.

Jak można wykorzystać światłowody fotoniczne?

Z tym zagadnieniem postanowili zmierzyć się naukowcy z PWr. Głównym celem projektu GADEIRE jest właśnie opracowanie selektywnych i czułych laserowych detektorów gazów niebezpiecznych w oparciu o wykorzystanie nowych konfiguracji światłowodów – tzw. antyrezonansowych światłowodów fotonicznych (SF) z rdzeniem powietrznym.

– Ta relatywnie nowa metoda pomiaru wykorzystuje fakt, że rdzeń SF jest pusty, przez co próbka gazu może być zassana do wnętrza światłowodu, w którym propaguje się również wiązka lasera o odpowiedniej częstotliwości optycznej, realizująca pomiar stężenia wybranego związku – mówi dr inż. Karol Krzempka z Wydziału Elektroniki PWr, kierownik polskiego zespołu realizującego projekt.

Odpowiednio zaprojektowane światłowody fotoniczne mogą mieć kilkadziesiąt metrów długości i z powodzeniem zastępują drogie, złożone, niestabilne (bardzo wrażliwe na temperaturę i wibracje mechaniczne) oraz delikatne komórki wieloprzejściowe, które zapewniają odpowiednią drogę interakcji laser-gaz.

– Jednak dotychczas opracowane konfiguracje SF, bazujące na nietoksycznych materiałach lub krzemionce, pozwalają na transmitowanie światła z niskimi stratami w paśmie do 4 µm, ze względu na silną absorpcję szkła dla tych długości fali. Jest to zasadnicze ograniczenie dla poza-laboratoryjnych zastosowań czujników gazów, bazujących na SF, głównie z uwagi na fakt, że większość niebezpiecznych gazów posiada silne linie absorpcyjne w zakresie długości fal > 4 µm – wyjaśnia naukowiec.

Międzynarodowa współpraca

Projekt GADEIRE jest bezpośrednią odpowiedzą właśnie na te ograniczenia technologiczne i zakłada ścisłą współpracę pomiędzy PWr, Uniwersytetem w Lille (Francja) oraz belgijskimi firmami MULTITEL i LASERSPEC.

Opracowanie czujników gazu opartych na nowych typach światłowodów fotonicznych wymaga bowiem zaangażowania czterech niezależnych zespołów, z których każdy posiada wyspecjalizowaną wiedzę w konkretnym obszarze badawczym: wytwarzaniu materiałów funkcjonalnych, szeroko-przestrajalnych źródłach laserowych i laserowej spektroskopii gazów.

Grupa dr. Waltera Belardiego z Uniwersytetu w Lille odpowiedzialna będzie za opracowanie i wytworzenie nowych typów SF, umożliwiających transmisję promieniowania w bardzo szerokim paśmie częstotliwości optycznych 2,5 – 7 µm, przy jednoczesnym zachowaniu niskiego poziomu tłumienia wiązki laserowej. Projekt zakłada, że światłowody fotoniczne będą wytworzone z nietoksycznego szkła krzemionkowego, co jest główną zaletą w stosunku do obecnych technologii.

Partnerzy z Belgi zbudują natomiast dedykowane, szeroko-przestrajalne źródło laserowe (bazujące na nieliniowej konwersji częstotliwości), które zainstalowane zostanie w laboratorium Spektroskopii Gazów, kierowanym przez dr inż. Karola Krzempka na Wydziale Elektroniki PWr.

Grupa naszych naukowców, w skład której wchodzą także m.in. dr inż. Piotr Jaworski i dr inż. Grzegorz Dudzik, zaangażowana będzie w główną część projektu, polegającą na zaprojektowaniu oraz skonstruowaniu czułych oraz selektywnych detektorów gazów niebezpiecznych, bazujących na nowych strukturach światłowodów fotonicznych.

Grant NCN

Projekt realizowany na PWr jest jednym z trzech zakwalifikowanych do finansowania przez Narodowe Centrum Nauki. Łączna kwota dofinansowania na projekty w konkursie organizowanym przez M-ERA.NET to 500 tys. euro, z czego zespół dr. inż. Karola Krzempka otrzyma 215 tys. euro. Budżet wszystkich partnerów projektu GADEIRE wynosi 1,25 mln euro. Projekt rozpocznie się w czerwcu 2020 r., a jego realizacja potrwa 36 miesięcy.

Sieć M-ERA.NET finansuje badania z obszaru nauk o materiałach oraz inżynierii materiałowej. W konkursie złożono 233 wnioski badawcze, a finansowanie w wysokości 26,9 mln euro otrzymało w sumie 37 projektów.