El gas hidrógeno es una fuente de energía prometedora con varias ventajas: es liviano, almacenable, energéticamente eficiente y respetuoso con el medio ambiente en comparación con los combustibles fósiles, y no produce contaminación ni emisiones de gases de efecto invernadero. Como tal, tiene amplias aplicaciones en diversos campos, incluidos el transporte, la arquitectura, la generación de energía y las industrias. Sin embargo, el hidrógeno es altamente inflamable y, por tanto, su uso seguro y generalizado requiere métodos fiables para detectar fugas y garantizar su pureza. La necesidad de métodos de detección confiables ha requerido el desarrollo de técnicas de detección de gases traza. Aunque se han desarrollado varios métodos para la detección de hidrógeno, ninguno ofrece un rendimiento óptimo.
Un método prometedor es la tecnología de espectroscopía de absorción por láser de diodo sintonizable (TDLAS), que ha recibido considerable atención para la detección de diversos gases. TDLAS ofrece varias ventajas importantes, que incluyen medición sin contacto, detección de condiciones, alta selectividad, respuesta rápida, bajo costo y capacidades de medición de múltiples componentes y múltiples parámetros. Funciona según el principio de que los gases absorben luz en una longitud de onda específica, lo que da como resultado una línea oscura en el espectro de absorción, conocida como línea de absorción. Midiendo la cantidad de luz láser absorbida a esta longitud de onda, se puede determinar la concentración del gas. Sin embargo, las concentraciones bajas de hidrógeno son difíciles de detectar con TDLAS porque el hidrógeno se absorbe débilmente en la región infrarroja en comparación con otros gases.
Para resolver este problema, un equipo de investigación en Japón dirigido por el profesor asociado Tatsu Shina de la Escuela de Graduados en Ingeniería de la Universidad de Chiba desarrolló un método innovador para medir con precisión el gas hidrógeno utilizando TDLAS. El equipo incluyó a Alifu Xiafukaiti y Nofil Lagrosas de la Escuela de Graduados en Ingeniería de la Universidad de Chiba, Epi Asahi del Shikoku Research Institute Inc. y Shigeru Yamaguchi de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Tokai. Su estudio estuvo disponible en línea el 13 de agosto de 2024 y se publicó el 1 de enero de 2025 en el volumen 180 de la revista Optics and Laser Technology.
“En este estudio, logramos una detección altamente sensible de gas hidrógeno mediante un control complejo de los parámetros de presión y modulación en una configuración TDLAS. Además, introdujimos una técnica sin calibración que se adapta a una amplia gama de concentraciones”, explica el profesor . sheena
En TDLAS, la luz láser pasa a través de una celda de gas presurizado llamada celda Harriet Multipass (HMPC) que contiene el gas objetivo. La longitud de onda del láser se modula u oscila alrededor de la línea de absorción objetivo del gas a una frecuencia específica para eliminar cualquier ruido ambiental. La tensión en HMPC puede afectar significativamente el ancho de la línea de absorción y, en consecuencia, los parámetros de modulación bajo TDLAS.
Los investigadores analizaron cuidadosamente el ancho de la línea de absorción más fuerte de hidrógeno a diferentes presiones. A través de simulaciones, los investigadores identificaron la presión óptima para un ancho de línea de absorción amplio y los parámetros de modulación más efectivos dentro de ese ancho de línea. Su técnica sin calibración implica utilizar el primer armónico de la señal de absorción modulada para normalizar el segundo armónico por su relación, en lugar de depender únicamente de la señal del segundo armónico como en los sistemas TDLAS convencionales. Además, utilizaron una celda de gas de alta presión que contenía hidrógeno puro para ajustar los parámetros de modulación de la señal láser.
A través de este enfoque innovador, los investigadores lograron mediciones precisas de la concentración de hidrógeno en un amplio rango de detección del 0,01% al 100%, donde el 0,01% equivale a una concentración de sólo 100 partes por millón (ppm). Además, los resultados mejoraron con tiempos de integración más largos (el tiempo durante el cual se permite que la luz se absorba). En un tiempo de integración de 0,1 segundos, el límite mínimo de detección fue del 0,3 % o 30.000 ppm, que disminuyó al 0,0055 % o 55 ppm en un tiempo de integración de 30 segundos. Sin embargo, el límite mínimo de detección aumentó más allá de los 30 segundos.
“Nuestro sistema puede mejorar significativamente los sistemas de detección de hidrógeno para la seguridad y el control de calidad, facilitando la adopción generalizada del combustible de hidrógeno. Por ejemplo, este sistema puede “utilizarse de forma fiable para detectar fugas en automóviles de pila de combustible”, dijo el profesor Sheena, comentando el potencial. Solicitudes de estudio.
En resumen, esta importante técnica puede ayudar a allanar el camino hacia un futuro sostenible y promover la implementación del hidrógeno como combustible respetuoso con el medio ambiente.
