火星甲烷檢測儀識別天然氣泄漏

火星甲烷檢測儀識別天然氣泄漏

世界上最簡單、最古老的生物體之一——甲烷細菌是一種單細胞原生生物，其出現(xiàn)于大約30億年前，屬于厭氧微生物，主要存活于動物的腸道、濕地、沼澤、未經(jīng)處理的污水、海底沉積物、河湖淤泥、水稻田等與氧氣隔絕的環(huán)境中，由于代謝會產(chǎn)生和釋放甲烷而得名。

2003年，美國國家航空航天局（NASA）的科學(xué)家探測到火星大氣中存在甲烷氣體?？紤]到甲烷細菌在嚴(yán)酷厭氧環(huán)境中的生存能力，科學(xué)家認為，這有可能是火星上存在甲烷細菌等生命的有力證據(jù)。但是，火星大氣中的甲烷氣體也可能是由于火山等地質(zhì)的物理化學(xué)反應(yīng)過程形成的，因此，現(xiàn)場確認這些甲烷氣體的存在，并確定其來源，是確定火星上目前，以及曾經(jīng)是否存在生命的關(guān)鍵一步。21世紀(jì)初，在火星科學(xué)實驗室（MSL，也稱為“好奇”號火星探測器）的研制過程中，NASA噴氣推進實驗室（JPL）的工程師開始研發(fā)一種能夠檢測甲烷及其同位素，以及二氧化碳和水的設(shè)備。該設(shè)備計劃作為“好奇”號火星探測器搭載的火星樣品分析儀（SAM）所要配備的三大氣體分析儀之一，將用于火星大氣分析。

該設(shè)備被稱為可調(diào)諧激光光譜儀（TLS）。首先，該設(shè)備上設(shè)置有一個氣體入口，探測器周圍的空氣，以及從探測器獲得的固體樣品轉(zhuǎn)化而來的氣體可通過該入口進入TLS。然后，在TLS內(nèi)部，可通過中紅外激光束對氣體進行分析。特定波長的光線會與甲烷等特定的氣體分子產(chǎn)生共振，從而使光線被儀器吸收。這樣，研究人員通過探測器測定通過樣品后的光線強度，即可確定氣體的成分。

NASA對開發(fā)激光和可調(diào)諧激光光譜儀技術(shù)的資金支持使得該技術(shù)在地球和行星科學(xué)研究中也獲得了應(yīng)用。此前用于探測甲烷的室溫激光器并不適用于火星探索任務(wù)，因為其僅能發(fā)射可見光或近紅外光，而甲烷在可見光和近紅外波段的吸收性很弱，因此，用于探測甲烷的傳統(tǒng)的激光器為了捕捉更多的信號，儀器設(shè)備的外形尺寸都非常大。而這種設(shè)備對于空間和重量都非常珍貴的“好奇”號探測器來說是不可能被采用的。

▲ 火星上可能存在的甲烷活動示意圖

作為替代方案，NASA噴氣推進實驗室微器件研究所自20世紀(jì)90年代早期開始研發(fā)帶間級聯(lián)激光器。在“好奇”號火星探測器開始研發(fā)時，該項技術(shù)已經(jīng)足夠成熟，可以此為基礎(chǔ)開發(fā)一種分布式反饋激光器，可發(fā)射波長約為3.3μm的激光，非常適用于甲烷的檢測。該激光器的效率較高，這也使得新開發(fā)的儀器設(shè)備具有較為緊湊的結(jié)構(gòu)。這些特性使其成為TLS激光器的理想選擇，并成功于2012年安裝在SAM中發(fā)射升空。事實證明，該激光器制造技術(shù)也能夠?qū)Φ厍蛏系哪茉搭I(lǐng)域產(chǎn)生重要的影響，是改進能源領(lǐng)域效能的一種重要的工具。

▲ 火星科學(xué)實驗室攜帶了可探測甲烷的火星樣品分析儀

天然氣的主要成分是甲烷，甲烷不僅是微生物可能存在的標(biāo)志，也是導(dǎo)致全球氣候變暖的溫室氣體之一。美國環(huán)境保護局的數(shù)據(jù)顯示，甲烷是世界上第二大溫室氣體，而地下天然氣輸送管道泄漏是造成甲烷排放的主要原因。工業(yè)界研究開發(fā)了多種方法來檢測甲烷氣體的泄漏，但傳統(tǒng)的甲烷檢測裝置具有體積龐大、靈敏度低等缺點。美國太平洋燃氣與電力（PG&E）公司的發(fā)言人海利·威爾遜稱，不論刮風(fēng)下雨，天然氣管道檢測人員每天都要在周圍區(qū)域進行管道檢測，傳統(tǒng)的甲烷檢測裝置體積龐大、結(jié)構(gòu)笨重，不方便攜帶。此外，傳統(tǒng)的甲烷檢測裝置靈敏度較低，只有檢測裝置已經(jīng)非常接近泄露源時，裝置才會發(fā)出警報，工作效率和安全性較低。而如果采用靈敏度較高的儀器裝置，其體積就將非常龐大，需要安裝在車輛上使用。這種裝置不適用于草坪、庭院，以及其它車輛無法靠近的場所的甲烷泄漏檢測。

為了克服上述缺點，減少天然氣泄露導(dǎo)致的溫室氣體排放，2013年，國際管道研究協(xié)會（PRCI）和噴氣推進實驗室聯(lián)合發(fā)起了一項有償太空法案協(xié)議，致力于將帶間級聯(lián)半導(dǎo)體激光器安裝在手持甲烷檢測設(shè)備中。據(jù)悉，PRCI是一家由能源企業(yè)聯(lián)合發(fā)起成立的研究組織。PG&E公司、南加利福尼亞天然氣公司和雪佛龍公司等企業(yè)都參與了直接投資。

2013～2014年，噴氣推進實驗室的科學(xué)家以TLS為模板，成功研制出一款小型光譜儀。該光譜儀主要在地球上使用，無需使用為太空應(yīng)用專門開發(fā)的零部件，因此，其設(shè)計更為靈活，尺寸也更小。該設(shè)備由PG&E公司進行了測試，并進行了多次改進，進一步提高了設(shè)備的使用舒適性和實用性。2014年末，噴氣推進實驗室完成了手持甲烷檢測儀的設(shè)計。目前，該設(shè)備已完全具備了商業(yè)化條件。

該手持甲烷檢測儀獲得了現(xiàn)場檢測人員的關(guān)注和贊譽。其類似于簡單的金屬探測器，輕巧方便，非常便于手持使用。而傳統(tǒng)的甲烷檢測儀短小、笨重，需要置于特定的角度才能工作。此外，該手持甲烷檢測儀的靈敏度顯著優(yōu)于此前的手持儀器。采用NASA技術(shù)的新型檢測儀的檢測靈敏度達到10-8，比傳統(tǒng)手持檢測儀的靈敏度（10-6）提高了100倍，因而更易于發(fā)現(xiàn)微小的甲烷泄漏源。

此外，在該手持甲烷檢測儀原型開發(fā)階段開發(fā)的一項關(guān)鍵創(chuàng)新技術(shù)——以語音方式讀取濃度值，也進一步提高了甲烷檢測的效率。與傳統(tǒng)的警報提示聲相比，該設(shè)計更容易被使用者接受，而且更適用于對聲音的音調(diào)和音量大小不太敏感的人員。

對于PG&E公司而言，該項技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用取得了成功。采用這種新型的甲烷檢測儀，工作人員能夠更簡便、快速地查找到泄漏源，提高了安全性，減少了溫室氣體排放。此外，支持能源領(lǐng)域的創(chuàng)新是PG&E公司的重要目標(biāo)之一。該公司也為可以使用用于火星探索的技術(shù)來完成甲烷泄漏檢測感到非常高興。（唐甜）

Mars Methane Detector Identifies Harmful Gas Leaks

▲ 工作人員測試新型手持甲烷檢測儀