Анализ газов в окружающей среде, для которого раньше требовались месяцы лабораторной работы, теперь можно быстро провести в полевых условиях. Группа ученых Eawag разработала портативный масс-спектрометр, позволяющий проводить измерения на месте, и была создана дочерняя компания для коммерциализации новой системы.
Каковы последствия накопления вулканических газов в озере Киву в Центральной Африке? Как функционирует система подземных вод Рейна вблизи Праттельна? Как лучше всего контролировать выбросы парниковых газов на свалке на северо-востоке Швейцарии? Ответы на подобные вопросы может дать портативный масс-спектрометр, недавно разработанный исследователями под названием «miniRuedi», который позволяет анализировать пробы газа и воды на месте и в режиме реального времени. Например, концентрации различных газов были определены на полигоне в ходе однодневной измерительной кампании. Это исследование поддерживает меры по оптимизации аэрации полигона для уменьшения образования метана, сильного парникового газа.
Система в чемодане
Физик-эколог Eawag Матиас Бреннвальд, разработавший портативный масс-спектрометр, объясняет: «Наш прибор весом 13 кг, установленный в чемодане на колесиках, можно доставить в самые отдаленные места. Mini-Ruedi может мгновенно и эффективно измерять газы, используя очень маленькие образцы, поэтому он не мешает естественной динамике окружающей среды». Система, которая может работать автономно, обеспечивает непрерывные измерения широкого спектра газов. Таким образом, можно сразу определить наиболее подходящие места и время для отбора проб. Возможна и длительная эксплуатация. Как отмечает Бренвальд, «анализы, которые в прошлом были бы немыслимы - отчасти по финансовым причинам, поскольку они потребовали бы месяцев лабораторной работы, - теперь внезапно стали возможны."
Две недели вместо шести лет
Например, используя Mini-Ruedi, команде Eawag потребовалось всего две недели, чтобы завершить проект анализа подземных вод в Австралии. По оценке Бренвальда, при использовании обычных методов и инструментов команде потребовалось бы около шести лет работы в лаборатории. Тем не менее, точность измерений новой системы замечательна, с аналитической погрешностью от одного до трех процентов (по сравнению с одним-полтора процентом для гораздо более дорогого лабораторного спектрометра). Другими преимуществами системы являются ее низкое энергопотребление (50 Вт, не больше, чем у традиционной лампочки) и отсутствие обслуживания. Бреннвальд подчеркивает, что «людям, привыкшим работать с измерительными приборами, требуется всего один день, чтобы научиться обращаться с портативной системой».
Готовые компоненты
Хотя на первый взгляд портативный масс-спектрометр может показаться сложным, на самом деле он состоит всего из четырех основных элементов. Входящий газ медленно проходит через десятиметровую капиллярную трубку, напоминающую хобот слона (отсюда и название системы «Руэди Рюссель» - известная сеть автозаправочных станций в Швейцарии). Два насоса создают необходимый вакуум в камере, где измеряется состав газовой смеси и содержание различных газов. Электронный «мозг» системы управляется программным обеспечением, разработанным самим Бренвальдом. Отсюда результаты передаются на компьютер.
Если необходимо анализировать газы в пробах воды (например, из озер), для отделения газов от воды используется мембрана, чтобы деликатные компоненты системы не подвергались воздействию влаги.
Создание спин-оффа Gasometrix
Всего через два года после того, как Mini-Ruedi был впервые использован в проекте, в настоящее время используются еще восемь инструментов - в общей сложности пять в Eawag и четыре в университетах Женевы и Тюбингена и в рок-лаборатории Мон-Терри. Поскольку Матиас Бреннвальд получил многочисленные запросы (не связанные с проектами Eawag) о покупке системы, он решил, посоветовавшись с Eawag, создать дочернюю компанию. С апреля он занимается разработкой портативных систем под названием Gasometrix; как верный сотрудник Eawag, добавляет он, это всего лишь побочный эффект. Первый клиент, приобретенный для собственной компании, - Оксфордский университет.
Приложения Mini-Ruedi по всему миру
Mini-Ruedi может количественно определять количество газов, в настоящее время включая гелий, аргон, криптон, азот, кислород, углекислый газ и метан, в системах окружающей среды. Измерения конкретных газов могут помочь исследователям понять основные процессы газообразования. Поскольку эта компактная система (60 см x 40 см x 14 см; 13 кг) может анализировать различные газы менее чем за минуту и может быть развернута в удаленных местах, она уже широко используется (примеры применения в исследовательских проектах Eawag по всему миру). мир, см.: https://gasometrix.ком/карта/). Он использовался, например, для анализа воды для оценки систем подземных вод или для изучения антропогенного воздействия на водоемы. В недавнем проекте в Чешской Республике были проанализированы образцы почвы для изучения газообразных выбросов родников. Также планируется провести анализы для нефтегазовой компании в Норвегии: здесь будут контролировать потоки газа, чтобы можно было обнаружить утечки метана или углекислого газа.