초고감도 광학 센서로 수소의 위험을 줄일 수 있습니다. 날짜: 2022년 11월 30일 원천: 찰머스 공과 대학교 요약: 깨끗하고 재생 가능한 에너지를 추구하는 데 있어 수소는 중요한 역할을 합니다. 그러나 이러한 전환에 직면한 주요 문제는 가스가 공기와 혼합될 때 폭발한다는 것입니다. 이러한 이유로 수소 누출을 가능한 한 빨리 감지할 수 있는 것이 중요합니다. 이제 연구원들은 기록적으로 낮은 수준의 수소를 감지할 수 있는 광학 센서를 개발했습니다.
깨끗하고 재생 가능한 에너지를 추구하는 데 있어 수소는 중요한 역할을 합니다. 그러나 이러한 전환에 직면한 주요 문제는 가스가 공기와 혼합될 때 폭발한다는 것입니다. 이러한 이유로 수소 누출을 가능한 한 빨리 감지할 수 있는 것이 중요합니다. 현재 Chalmers University of Technology, Vrije Universiteit Amsterdam 및 Eindhoven University of Technology의 연구원들은 기록적으로 낮은 수준의 수소를 감지할 수 있는 광학 센서를 개발했습니다.
수소는 대형 운송 부문의 탈탄소화의 중요한 부분으로 간주되며 전 세계적으로 수소 동력 열차, 트럭 및 비행기가 개발 및 배치되고 있습니다. 중공업에서도 수소는 예를 들어 무화석 철강 생산에 매우 중요한 것으로 간주됩니다.
수소 저장 또는 사용의 위험은 잘 알려져 있습니다. 아주 작은 불꽃에도 발화할 수 있는 폭발성 혼합물(크날가스)을 형성하는 데 공기 중에 수소가 4%만 필요합니다. 따라서 중요한 수준에서 누수 및 경보를 모니터링하기 위해 매우 민감한 센서를 배치하는 것이 중요합니다.
수소 사용에서 가장 중요한 안전성
네덜란드의 동료들과 함께 스웨덴의 Chalmers University of Technology 물리학과 연구원들은 이제 기록적으로 낮은 수준의 수소를 감지하는 광학 수소 센서를 개발했습니다. 따라서 세계에서 가장 민감한 센서에 합류합니다. 새로운 연구 결과는 Nature Communications의 기사에 발표되었습니다.
"안전은 수소의 모든 사용 및 저장에서 가장 중요합니다. 누출이 조기에 감지되면 수리할 수 있으므로 공장이나 차량을 전혀 사용하지 않아도 됩니다."라고 Chalmers의 Christoph Langhammer 교수는 말합니다. , 과학 기사의 주요 저자 중 한 명.
AI 기술이 앞장서
광학 수소 센서는 주변의 수소를 감지하기 위해 함께 작동하는 많은 금속 나노 입자로 구성됩니다. 새로운 센서의 설계 방식에 대한 접근 방식은 이전에 수행된 방식과 다릅니다. 많은 수의 샘플을 생산하고 어떤 것이 가장 잘 작동하는지 개별적으로 테스트하는 대신 연구원들은 고급 AI 기술을 사용하여 서로의 거리, 직경 및 두께를 기반으로 입자 간의 최적의 상호 작용을 생성했습니다. 그 결과 수십만 퍼센트만큼 작은 수소 농도의 변화를 감지하는 센서가 탄생했습니다.
새로운 센서의 낮은 감지 한계 뒤에 숨은 비밀은 표면에 규칙적인 패턴으로 입자 배열과 미세 조정된 크기의 조합입니다. 이는 기존 동종 센서에서 사용하던 무작위 입자배열보다 센서의 감도에 더 유리한 것으로 나타났다.
Christoph Langhammer의 연구 그룹은 이전에 세계에서 가장 빠른 수소 센서를 제시할 수 있었습니다. 그에게는 다양한 유형의 센서가 필요하고 특정 애플리케이션에 맞게 최적화되어야 한다는 것이 분명합니다.
"수소 관련 기술은 엄청난 도약을 이루었으므로 오늘날의 센서는 더 정확하고 다양한 목적에 맞게 조정되어야 합니다. 때로는 매우 빠른 센서가 필요하고 때로는 가혹한 화학 환경이나 저온에서 작동하는 센서가 필요합니다. A 단일 센서 설계는 모든 요구 사항을 충족할 수 없습니다."라고 새로운 역량 센터인 TechForH2의 설립자 중 한 명이기도 한 Christoph Langhammer는 말합니다.
수소에 대한 새로운 협력 관계에 있는 산업계와 학계
Chalmers가 이끄는 새로운 센터는 무거운 운송 시스템의 탈탄소화에 중점을 둔 새로운 수소 기술을 개발하기 위해 학계와 산업계를 하나로 모았습니다. TechForH2는 역학 및 해양 과학부의 Tomas Grönstedt Chalmers 교수가 이끌고 있습니다.
"연구 커뮤니티와 산업이 합쳐지면 우리가 생산하는 것이 적용되고 산업에 존재하는 요구와 과제를 충족할 수 있는 다음 단계로 우리를 데려갈 수 있습니다. 이는 센서 개발뿐만 아니라 관련 연구에도 적용됩니다. 수소 가스를 사용하는 무거운 차량이나 비행기의 추진"이라고 Tomas Grönstedt는 말합니다.
광학 수소 센서의 작동 원리
연구원들이 개발한 센서는 금속 나노입자가 빛을 포착하고 입자에 뚜렷한 색상을 부여할 때 발생하는 광학 현상인 플라즈몬을 기반으로 합니다. 나노 입자가 팔라듐 또는 팔라듐 합금으로 만들어진 경우 주변의 수소 양이 변하면 색상이 변하고 레벨이 위험해지면 센서가 경보를 울릴 수 있습니다.
센서 표면의 배열과 입자의 기하학적 구조의 궁극적인 조합을 찾기 위해 연구원들은 수소 노출에 대한 가능한 최고의 감도를 달성하기 위해 입자 떼 최적화라는 인공 지능 알고리즘을 사용했습니다. 매우 정확하게 정의된 규칙적인 패턴으로 입자를 배치하는 것이 답으로 밝혀졌습니다.
AI 설계를 기반으로 최적화된 광수소 센서를 제작해 "parts per billion" 범위(250ppb)의 수소를 광학적으로 감지하는 최초의 센서임을 검증했다.
새로운 센서는 금속 나노입자가 빛을 포착하여 입자에 뚜렷한 색상을 부여할 때 발생하는 광학 현상 플라즈몬을 기반으로 합니다. 이 색상은 주변의 수소 양이 변할 때 변하고 센서는 임계 수준에서 경보를 울릴 수 있습니다.