Sorgente di luce quantica per la produzione ecologica di gas da biomassa
Estrazione di sostanze preziose dalla biomassa: i laser a cascata quantistica offrono nuove ed entusiasmanti possibilità
Molti tipi di rifiuti sono troppo preziosi per essere semplicemente inceneriti. Se vengono utilizzati in modo precisamente controllato, è possibile non solo generare energia termica, ma anche produrre sostanze chimiche preziose dal gas prodotto, dall'idrogeno al metano al metanolo. A tal fine, tuttavia, il processo di produzione del gas deve essere strettamente monitorato e regolato come richiesto.
Michael Jaidl (a sinistra) e Florian Müller in laboratorio
Technische Universität Wien
Finora, un problema particolarmente grave è stato causato da un sottoprodotto molto comune: il vapore acqueo. Se si vuole controllare la produzione di gas in modo efficiente, è importante conoscere il contenuto d'acqua del gas prodotto nel modo più preciso possibile. Tuttavia, è difficile misurare il contenuto d'acqua con i metodi convenzionali. Una collaborazione tra l'ingegneria di processo e la fotonica della TU Wien è riuscita a risolvere questo problema utilizzando un tipo di sorgente luminosa molto particolare: La radiazione terahertz di un laser a cascata quantistica. La tecnologia quantistica all'avanguardia supporta ora l'utilizzo ecologico della biomassa.
Le misurazioni convenzionali non sono sufficienti
"Molti componenti chimici del gas prodotto possono essere rilevati con la luce infrarossa", spiega Florian Müller, ricercatore di sistemi di carbonio rinnovabili nell'ambito del programma di dottoratoCO2Refinerypresso l'Istituto di Ingegneria di Processo, Ingegneria Ambientale e Bioscienze Tecniche della TU Wien. "Molecole diverse assorbono lunghezze d'onda diverse nella gamma degli infrarossi. Se si misura la proporzione di quale lunghezza d'onda viene assorbita da un campione, si può anche dire se questo campione contiene o meno una certa sostanza".
Tuttavia, questo è difficile con il vapore acqueo, che svolge un ruolo molto importante in questi processi: "Se si converte la biomassa in gas, si ottiene una miscela di gas complicata che contiene molti idrocarburi diversi oltre al vapore acqueo", spiega Florian Müller. "E alcuni di essi assorbono la radiazione infrarossa proprio alle frequenze in cui la assorbe anche l'acqua". È quindi impossibile dire con esattezza quale sostanza sia responsabile dell'assorbimento, il che significa che non è possibile determinare con precisione la percentuale di acqua nel gas prodotto. È possibile raffreddare un campione di gas e poi misurare la quantità di acqua condensata, ma questo richiede molto tempo. In questo modo non è possibile reagire rapidamente alle fluttuazioni della concentrazione di acqua, il che rende più difficile un funzionamento efficiente.
La TU di Vienna sviluppa sorgenti di radiazioni terahertz
Allo stesso tempo, però, Michael Jaidl dell'Istituto di fotonica della TU Wien stava studiando fasci laser nella gamma dei terahertz, ovvero radiazioni con una lunghezza d'onda ancora maggiore rispetto a quella dei raggi infrarossi spesso utilizzati oggi per le indagini spettroscopiche. Michael Jaidl e Florian Müller sono amici di vecchia data e si conoscono dai tempi della scuola, così insieme hanno avuto l'idea di unire i loro campi di ricerca.
Michael Jaidl è riuscito a dimostrare che Nella gamma dei terahertz si possono trovare frequenze che vengono assorbite specificamente solo dalle molecole d'acqua, ma non dalle molte altre sostanze che si trovano in concentrazioni significative nel gas prodotto da un impianto di utilizzo della biomassa. Il problema del rilevamento del vapore acqueo può quindi essere risolto utilizzando la radiazione terahertz al posto della consueta radiazione infrarossa.
La radiazione terahertz è difficile da generare. A questo scopo, alla TU Wien si utilizzano i trucchi della tecnologia quantistica: si producono laser a cascata quantistica - minuscoli semiconduttori con una struttura geometrica personalizzata su scala nanometrica, che garantisce l'emissione di radiazioni solo di una lunghezza d'onda molto specifica quando viene applicata una tensione elettrica. Sebbene questo laser a cascata quantica richieda un dispositivo di raffreddamento proprio, i due ricercatori sono riusciti a sviluppare un apparecchio compatto e portatile in grado di misurare in modo affidabile il contenuto d'acqua nei gas dei prodotti caldi utilizzando un fascio di terahertz.
I primi test hanno avuto successo
"Un vantaggio fondamentale del nostro metodo è che fornisce un risultato affidabile in un'ampia gamma di concentrazioni di vapore acqueo e di temperature", spiega Michael Jaidl. Questo perché la radiazione terahertz che utilizziamo viene assorbita in modo particolarmente intenso dal vapore acqueo, il che ci permette di utilizzare una configurazione più compatta". Un altro grande vantaggio dell'impostazione compatta è che la temperatura nella cella di misura non fluttua tanto, riducendo così la suscettibilità agli errori".
Il fatto che il nuovo metodo funzioni perfettamente è stato dimostrato in test di produzione di gas da rifiuti di legno presso la TU Wien nel campus Getreidemarkt. Ora i due ricercatori e i loro team vogliono migliorare ulteriormente la loro tecnologia: In primo luogo, vogliono renderla ancora più facile da usare e da utilizzare per renderla ancora più pratica e, in secondo luogo, vogliono verificare se anche altri costituenti dei gas prodotti possano essere rilevati in modo affidabile utilizzando la tecnologia terahertz.
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Pubblicazione originale
Florian Johann Müller, Michael Jaidl, Dominik Theiner, Johann Zeitlhofer, Florian Benedikt, Lena Steiner, Alexander Bartik, Marie Christine Ertl, Aaron Maxwell Andrews, Gottfried Strasser, Stefan Müller, Franz Winter, Karl Unterrainer; "Water vapor quantification in raw product gas by THz quantum cascade laser"; Energy Conversion and Management: X, Volume 26
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