O gás hidrogênio é uma fonte de energia promissora com várias vantagens — é leve, armazenável, denso em energia e ecologicamente correto em comparação aos combustíveis fósseis, não produzindo poluentes ou emissões de gases de efeito estufa. Como tal, ele tem aplicações extensivas em diferentes campos, incluindo transporte, arquitetura, geração de energia e indústrias.
No entanto, o hidrogênio é altamente inflamável e, portanto, seu uso seguro e generalizado requer métodos confiáveis para detectar vazamentos e garantir sua pureza. A necessidade de métodos de detecção confiáveis exigiu o desenvolvimento de técnicas de detecção de gases traço.
Espectroscopia de Absorção a Laser de Diodo Ajustável (TDLAS)
Embora vários métodos tenham sido desenvolvidos para detecção de hidrogênio, nenhum oferece desempenho ideal. Um método promissor é a tecnologia de espectroscopia de absorção de laser de diodo ajustável (TDLAS), que ganhou atenção significativa para detectar vários gases. O TDLAS oferece várias vantagens importantes, incluindo medição sem contato, detecção in situ, alta seletividade, resposta rápida, baixo custo e capacidades de medição multicomponente e multiparâmetro.
O TDLAS funciona com base no princípio de que os gases absorvem luz em um comprimento de onda específico, resultando em uma linha escura no espectro de absorção, conhecida como linha de absorção. Ao medir a quantidade de luz laser que foi absorvida neste comprimento de onda, a concentração do gás pode ser determinada. No entanto, detectar baixas concentrações de hidrogênio com TDLAS é difícil porque o hidrogênio tem absorção mais fraca na região do infravermelho em comparação a outros gases.
Inovação na Detecção de Hidrogênio com TDLAS
Para abordar essa questão, uma equipe de pesquisa do Japão liderada pelo Professor Associado Tatsuo Shiina da Escola de Pós-Graduação em Engenharia da Universidade de Chiba desenvolveu um método inovador para medição precisa de gás hidrogênio usando TDLAS. A equipe era composta por Alifu Xiafukaiti e Nofel Lagrosas da Escola de Pós-Graduação em Engenharia da Universidade de Chiba, Ippei Asahi do Instituto de Pesquisa Shikoku Inc. e Shigeru Yamaguchi da Escola de Ciências da Universidade Tokai.
"Neste estudo, alcançamos detecção altamente sensível de gás hidrogênio por meio de controle meticuloso de parâmetros de pressão e modulação na configuração do TDLAS. Além disso, introduzimos uma técnica sem calibração que garante a adaptabilidade a uma ampla faixa de concentrações", explica o Prof. Shiina.
Configuração do TDLAS
No TDLAS, a luz do laser é passada através de uma célula de gás pressurizada chamada célula multipass Herriott (HMPC) contendo o gás alvo. O comprimento de onda do laser é modulado ou oscilado em torno da linha de absorção alvo do gás em uma frequência específica para remover qualquer ruído ambiental. A pressão no HMPC pode influenciar significativamente a largura da linha de absorção e, consequentemente, os parâmetros de modulação sob TDLAS.
Técnica Sem Calibração
Os pesquisadores analisaram cuidadosamente a largura da linha de absorção mais forte do hidrogênio em diferentes pressões. Por meio de simulações, os pesquisadores identificaram a pressão ideal para uma largura de linha de absorção mais ampla e os parâmetros de modulação mais eficazes dentro dessa largura de linha.
Sua técnica sem calibração envolveu usar o primeiro harmônico do sinal de absorção modulado para normalizar o segundo harmônico por meio de sua razão, em vez de depender apenas do sinal do segundo harmônico como em sistemas TDLAS convencionais. Além disso, eles empregaram uma célula de gás de alta pressão contendo hidrogênio puro como referência para ajustar os parâmetros de modulação do sinal do laser.
Resultados Impressionantes
Por meio dessa abordagem inovadora, os pesquisadores alcançaram medições precisas de concentrações de hidrogênio em uma ampla faixa de detecção de 0,01% a 100%, onde 0,01% equivale a uma concentração de apenas 100 partes por milhão (ppm). Além disso, os resultados melhoraram com tempos de integração mais longos (o período de tempo durante o qual a luz pode ser absorvida).
No tempo de integração de 0,1 segundo, o limite mínimo de detecção foi de 0,3% ou 30.000 ppm, que melhorou para 0,0055% ou 55 ppm no tempo de integração de 30 segundos. No entanto, além de 30 segundos, o limite mínimo de detecção aumentou.
Aplicações Promissoras
"Nosso sistema pode melhorar significativamente os sistemas de detecção de hidrogênio para segurança e controle de qualidade, facilitando a adoção mais ampla do combustível de hidrogênio. Por exemplo, este sistema pode ser usado de forma confiável para a detecção de vazamentos em carros com célula de combustível de hidrogênio", comenta o Prof. Shiina sobre as potenciais aplicações do estudo.
O desenvolvimento dessa técnica inovadora de detecção de hidrogênio usando TDLAS representa um avanço significativo na promoção do uso seguro e generalizado do hidrogênio como uma fonte de energia limpa e sustentável. À medida que a transição para uma economia de hidrogênio continua, essa tecnologia poderá desempenhar um papel crucial na garantia da segurança e confiabilidade dos sistemas de hidrogênio em diversos setores.
