Ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали лабораторный прибор, который может измерять, сколько углерода во многих углеродосодержащих материалах было получено из ископаемого топлива. Это откроет путь к новым методам в производстве биотоплива и биопластиков, в научных исследованиях и мониторинге окружающей среды. Среди прочего, это позволит ученым измерить, какое количество углекислого газа (CO2) в атмосфере образовалось в результате сжигания ископаемого топлива, и оценить выбросы ископаемого топлива на площади как небольшие. размером с город или с континент.
Это возможно, потому что атомы углерода встречаются в тяжелой и легкой формах или изотопах, и измерение относительного количества каждого из них может выявить источник углерода. Использование изотопов углерода таким образом не является новой идеей, но требует чрезвычайно точных и дорогостоящих измерений. Новый прибор, разработанный химиками NIST Адамом Флейшером и Дэвидом Лонгом и основанный на технологии, называемой спектроскопией кольцевой полости (CRDS), обещает значительно снизить стоимость этих измерений. Они описали работу прибора в The Journal of Physical Chemistry Letters.
«Измерение изотопов углерода - чрезвычайно полезный метод, но до сих пор он находил ограниченное применение из-за стоимости», - сказал Лонг. «Снижение стоимости откроет путь для новых приложений, особенно тех, которые требуют тестирования большого количества образцов».
Ключом к этим измерениям является углерод-14, радиоактивный (но безвредный) изотоп углерода, который образуется в верхних слоях атмосферы. Этот углерод-14 проникает во все живые существа. В отличие от обычного углерода, углерод-14 нестабилен, его период полураспада составляет 5 730 лет. Когда живые существа умирают, они перестают включать углерод в свои тела, и их углерод-14 начинает распадаться.
Ученые могут рассчитать, как давно что-то умерло, измерив количество углерода-14 в его останках. Этот метод называется углеродным датированием, и ученые используют его для датирования таких вещей, как кости неандертальцев и волокна древних растений.
Ископаемое топливо также является остатками живых существ, в основном растений, которые погибли сотни миллионов лет назад. Практически весь их углерод-14 распался много тысячелетий назад, поэтому все, что происходит от них, характеризуется отсутствием измеримых количеств углерода-14.
Но углерод-14 чрезвычайно редок, и чтобы использовать его для идентификации ископаемого топлива, ученые должны иметь возможность измерять его концентрацию при таких низких концентрациях, как 1 часть на 10 триллионов. Это эквивалентно одной песчинке в 60 самосвалах, набитых хламом.
Для измерения таких низких концентраций вам нужен чрезвычайно чувствительный метод измерения, и такой метод уже существует. Археологи полагались на него десятилетиями. Но этот метод требует ускорителя частиц для разделения изотопов (более тяжелый углерод-14 ускоряется медленнее, чем обычный углерод-12), а также помещение для его размещения и команду докторов наук для его запуска.
Прибор CRDS, разработанный Флейшером и Лонгом, может располагаться на лабораторном столе и относительно недорог в эксплуатации.
Приборы CRDS анализируют газы, определяя длины волн света, которые они поглощают. Например, CO2, который содержит углерод-14 - так называемый тяжелый CO2 - поглощает длину волны, немного отличающуюся от обычной CO 2.
Чтобы измерить количество тяжелого CO2 в образце CO2, сначала вводят образец в измерительную полость прибора. («С» в CRDS), которая представляет собой трубку с зеркалами внутри на обоих концах. Затем вы настраиваете лазер точно на длину волны, которую поглощает только тяжелый CO2, и стреляете в резонатор. Когда лазерный свет отражается между зеркалами, часть его энергии поглощается газом. Чем больше поглощение, тем больше концентрация тяжелого CO2
Для достижения требуемой чувствительности Флейшер и Лонг усовершенствовали существующую технологию CRDS, разработав систему, которая охлаждает полость до температуры минус 55 градусов по Цельсию и сводит к минимуму колебания температуры, которые могли бы нарушить измерения. Если сделать резонатор очень холодным, их прибор улавливает очень слабые сигналы поглощения света, точно так же, как вы можете услышать падение булавки, если сделаете комнату очень тихой.
Это и другие усовершенствования повысили чувствительность прибора до уровня, достаточного для точного радиоуглеродного датирования.
Чтобы протестировать биотопливо и биопластик, вы должны сначала сжечь эти материалы, а затем собрать полученный CO2 для анализа. Это позволит вам протестировать топливную смесь, чтобы определить, какая ее часть является биотопливом. Например, в авиационной отрасли это было бы полезно, поскольку некоторые страны требуют, чтобы авиационное топливо содержало определенный процент биотоплива. Такие тесты также можно использовать для проверки того, что биопластики, которые продаются по более высокой цене, не содержат соединений нефтяного происхождения.
Чтобы оценить выбросы ископаемого топлива в географической области, вы должны собрать много проб воздуха в этой области и проанализировать атмосферный CO2 в этих пробах. В районах с высоким уровнем выбросов ископаемого топлива, таких как города и промышленные зоны, концентрации тяжелых CO2 будут ниже нормы.
«Выбросы ископаемого топлива снижают концентрацию тяжелого CO2 в воздухе», - сказал Флейшер. «Если мы сможем точно измерить эту концентрацию после разбавления, мы сможем рассчитать, сколько выбросов ископаемого топлива содержится в смеси».
Согласно отчету Национальной академии наук, 10 000 проб в год, собираемых в тщательно выбранных местах по всей территории Соединенных Штатов, будет достаточно для оценки национальных выбросов ископаемого топлива с точностью до 10 процентов от фактического значения. Такая система измерений может повысить надежность национальных оценок выбросов. Это было бы особенно полезно в тех частях мира, где высококачественные данные о выбросах недоступны.