Romsensor ser giftige gasser på jorda

- Forskning støttet av både ESA og SINTEFs Laboratorium for mikrosystemer og nanoteknologi har resultert i den enkleste gassdetektoren som er mulig, sier Benedikt Guldimann, leder for prosjektet hos ESA.

Resultatet har blitt en mindre, men mer robust og pålitelig sensor enn systemene som eksisterer i dag. I tillegg krever den nye gassensoren lite energi og trenger ikke rekalibreres.

Mikroskopisk nett av silikon

Sensoren er basert på en teknologi som kalles optisk Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS). Den fungerer ved hjelp av bittesmå endringer i plasseringen til mikroskopiske nett av silikon. Avstanden tilsvarer en hundredel av diameteren av et hår.

Denne sensorteknologien kan justeres til å oppdage helt spesifikke gasser. I tillegg til bruk ombord i romfartøy og rombaser, ser forskerne på SINTEF for seg at de nye sensorene kan være med på å holde øye med luftkvalitet på jorda, og til og med sørge for at biler ikke kan starte om sjåføren lukter alkohol.

Den første jobben blir likevel å oppdage metangass for oljeindustrien. Metan er en gass uten farge eller lukt. Men i høye konsentrasjoner kan den kvele mennesker eller forårsake eksplosjoner.

Ombord på oljerigger som utvinner olje eller naturgass fra bakken er lekkasje av metangass er en av de største sikkerhetsrisikoene.

Ser etter gassenes fingeravtrykk

På same måte som dagens gassdetektorer, filtrerer den nye sensoren lys for å se lysabsorpsjonsmønsteret til gasser som lyset skinner gjennom. Dette gjøres ved å bruke et såkalt diffraksjonsnett.

Denne metoden ble utviklet allerede på 1800-tallet av optikeren Joseph von Fraunhofer. Han la merke til at en lang og smal åpning delte lyset på samme måte som en glassprisme. Flere åpninger satt sammen til et nett delte lyset enda bedre.

I dag kan vi se den samme effekten på DVD-plater. Undersiden skinner regnbuefarget fordi sporene på DVDen gir samme effekt som et diffraksjonsnett.

Slike nett kan lages for å detektere lys på bestemte bølgelengder. Men for å kunne oppdage gass, må en sensor kunne måle ikke bare innenfor sin egen bølgelengde, men også kunne ta jevnlige referansemålinger utenfor denne. Dette gjøres for å kunne se etter absorpsjon eller lysspredning som ikke skyldes målgassen. Dette høres enkelt ut men er grunnen til at dagens gassensorer er kompliserte.

En hundredel av diameteren på et hår

Ved å velge bort elementer som tar plass, for eksempel roterende hjul for filtre eller å vippe diffraksjonsnettene i ulike retninger, bruker SINTEFs Controllable Diffractive Optical Element (CDOE) i stedet MEMS-teknologi.

Ved å bruke produksjonsmetoder fra halvlederindustrien, bruker systemet løst hengende miniatyrnett som senker seg ørlite grann når strøm går gjennom dem. Miniatyrnettene beveger seg mindre enn èn mikrometer (µm). Det tilsvarer bare en tusendels millimeter, eller en hundredel av diameteren på et hår.

Den 0,5 centimeter lange CDOE-brikken består av hundrevis av mikronett dekket av et lag reflekterende aluminium. Når strøm går gjennom systemet beveger annethvert mikronett seg på grunn av elektrostatisk tiltrekning. Når strømmen blir borte går mikronettene tilbake til utgangspunktet.

Disse ørsmå bevegelsene er nok til å endre mikronettets diffraksjon. Det samme skjer med fargene som reflekteres av en DVD når vi vipper skiven opp og ned. Når mikronettene er i utgangsposisjonen måler de metangass i lufta. Når nettene beveger seg, utfører de referansemålinger.

- Det nye systemets hovedfordeler er at det er lett å produsere og lett å bruke, sier Guldimann. Detektoren skifter raskt og nøyaktig mellom bølgelengder og påvirkes ikke av temperaturendringer eller andre miljøfaktorer. Fordi systemet produseres på samme måte som halvledere i dataindustrien, blir de billigere jo flere enheter som produseres.

For oljerigger er gassensorers pålitelighet nesten viktigere enn prisen. En falsk alarm som stenger ned produksjonen lenge kan bli ekstremt kostbart.

Teknologioverføring til Europas industri

Gassensoren CDOE ble utviklet av SINTEF med støtte av ESA’s General Support Technology Programme (GSTP) for overføring av romteknologi til kommersiell bruk. Dette programmet har som mål å støtte og videreutvikle lovende prototyper til ferdige kommersielle produkter.

- CDOE-sensoren begynte som et SINTEF-prosjekt ment for anvendelse av spektroskopi generelt, forklarer Håkon Sagberg, tidligere ansatt ved SINTEF og nå leder for spin off-selskapet GasSecure. Bedriften har blitt opprettet for å utnytte den nye teknologien.

Ifølge Sagberg var ESAs støtte det utviklingen trengte for å gå i riktig. Resultatet ble MEMS-sensoren, som viser teknologiens kommersielle potensial, og ble opphavet til bedriften GasSecur.

- ESAs teknologiprogram (General Support Technology Programme) representerer et verdifullt verktøy for ESAs medlemsland som ønsker å utvikle ny teknologi sier Rune Eriksen, leder for industrikoordinering ved Norsk Romsenter. CDOE-prosjektet ble støttet av ESA via Norsk Romsenter og er et godt eksempel på hvorfor Norge er på vei til å bli en av de største investorerene i ESAs teknologiprogram.

Mer romteknologi tilpasset for bruk i olje- og gassektoren kan du se på standen Space and Technology Park på oljemessen ONS i Stavanger 24. – 27. august. Standen er støttet av ESA og her vil ESAs Technology Transfer Programme Office og samarbeidspartner i Stavanger, IRIS, vise frem romteknologi som kan bli nyttig for olje- og gassindustrien.