Fonte de luz quântica para a produção ecológica de gás de biomassa
Extração de substâncias valiosas da biomassa - os lasers de cascata quântica oferecem novas e excitantes possibilidades
Muitos tipos de resíduos são demasiado valiosos para serem simplesmente incinerados. Se forem utilizados de uma forma controlada com precisão, é possível não só gerar energia térmica, mas também produzir produtos químicos valiosos a partir do gás resultante - desde hidrogénio a metano e metanol. Para isso, no entanto, o processo de produção de gás deve ser monitorizado de perto e regulado conforme necessário.
Michael Jaidl (à esquerda) e Florian Müller no laboratório
Technische Universität Wien
Até agora, uma dor de cabeça particularmente grande tem sido causada por um subproduto muito comum - o vapor de água. Para que a produção de gás possa ser controlada de forma eficiente, é importante conhecer o teor de água do produto gasoso com a maior exatidão possível. No entanto, é difícil medir o teor de água utilizando métodos convencionais. Uma cooperação entre a engenharia de processos e a fotónica na TU Wien conseguiu agora resolver este problema utilizando um tipo muito especial de fonte de luz: A radiação terahertz de um laser de cascata quântica. A tecnologia quântica de ponta apoia agora a utilização ecológica da biomassa.
As medições convencionais não são suficientes
"Muitos componentes químicos do produto gasoso podem ser detectados através de luz infravermelha", explica Florian Müller, que investiga sistemas de carbono renováveis no âmbito do programa de doutoramentoCO2Refineryno Instituto de Engenharia de Processos, Engenharia Ambiental e Biociências Técnicas da TU Wien. "Diferentes moléculas absorvem diferentes comprimentos de onda na gama dos infravermelhos. Se medirmos a proporção de que comprimento de onda é absorvido por uma amostra, também podemos dizer se essa amostra contém uma determinada substância ou não."
No entanto, isto é difícil com o vapor de água, que desempenha um papel muito importante em tais processos: "Se convertermos a biomassa em gases, obtemos uma mistura gasosa complicada que contém muitos hidrocarbonetos diferentes, para além do vapor de água", diz Florian Müller. "E alguns deles absorvem radiação infravermelha precisamente nas frequências em que a água também a absorve". Por conseguinte, é impossível dizer exatamente qual a substância responsável pela absorção, o que significa que a proporção de água no gás do produto não pode ser determinada com precisão. É possível arrefecer uma amostra de gás e depois medir a quantidade de água condensada - mas isso demora algum tempo. Desta forma, não é possível reagir rapidamente às flutuações da concentração de água, o que torna mais difícil uma operação eficiente.
TU Viena desenvolve fontes de radiação terahertz
Ao mesmo tempo, Michael Jaidl, do Instituto de Fotónica da TU de Viena, investigava feixes de laser na gama dos terahertz - por outras palavras, radiação com um comprimento de onda ainda maior do que a radiação infravermelha frequentemente utilizada hoje em dia para investigações espectroscópicas. Michael Jaidl e Florian Müller são velhos amigos e conhecem-se desde os tempos de escola - e assim, juntos, tiveram a ideia de combinar os seus campos de investigação.
Michael Jaidl conseguiu demonstrar que Na gama dos terahertz, é possível encontrar frequências que são especificamente absorvidas apenas por moléculas de água - mas não por muitas outras substâncias que se encontram em concentrações significativas no produto gasoso de uma instalação de utilização de biomassa. O problema da deteção do vapor de água pode, portanto, ser resolvido através da utilização de radiação terahertz em vez da habitual radiação infravermelha.
A radiação terahertz é difícil de gerar. Na TU Wien, são utilizados truques da tecnologia quântica para este fim: são produzidos lasers quânticos em cascata - minúsculos semicondutores com uma estrutura geométrica personalizada à escala nanométrica, que garante que apenas é emitida radiação de um comprimento de onda muito específico quando é aplicada uma tensão eléctrica. Embora este laser de cascata quântica necessite do seu próprio dispositivo de arrefecimento, os dois investigadores conseguiram desenvolver um aparelho compacto e portátil que pode medir de forma fiável o teor de água em gases de produtos quentes utilizando um feixe de terahertz.
Testes iniciais bem sucedidos
"Uma das principais vantagens do nosso método é o facto de fornecer um resultado fiável numa vasta gama de concentrações e temperaturas de vapor de água", afirma Michael Jaidl. "Isto deve-se ao facto de a radiação terahertz que utilizamos ser particularmente absorvida pelo vapor de água, o que nos permite utilizar uma configuração mais compacta. Outra grande vantagem da configuração compacta é que a temperatura na célula de medição não flutua tanto, o que reduz a suscetibilidade a erros."
O facto de o novo método funcionar perfeitamente foi comprovado em testes de produção de gás a partir de resíduos de madeira na TU Wien, no campus Getreidemarkt. Agora, os dois investigadores e as suas equipas querem melhorar ainda mais a sua tecnologia: Em primeiro lugar, querem torná-la ainda mais fácil de utilizar e mais convivial, de modo a torná-la ainda mais prática, e, em segundo lugar, querem investigar se outros constituintes dos gases do produto também podem ser detectados de forma fiável utilizando a tecnologia terahertz.
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Publicação original
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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