Wodór jako czyste źródło energii stanowi alternatywę dla paliw kopalnych. Pojawiają się jednak obawy ograniczające jego wykorzystanie w pojazdach elektrycznych. Dobrą wiadomością jest fakt, że prace technologiczno-badawcze obniżają to ryzyko. Badania naukowców z Uniwersytetu w Georgii rzucają nowe światło na ten problem. 

Wprowadzenie energii pozyskiwanej z wodoru, na szeroką skalę, jest znaczącym krokiem w zakresie zrównoważonej energetyki i realizacji celów globalnej transformacji energetycznej na rzecz klimatu. 

Pojazdy napędzane wodorem mogą być znacznie szybciej  ładowane, pokonywać dłuższe trasy w porównaniu do dzisiejszych pojazdów elektrycznych, które wykorzystują energię z akumulatorów. Jedną z ostatnich przeszkód do pełnej komercjalizacji i upowszechnienia energii wodorowej, jest zapewnienie bezpiecznej metody wykrywania wycieków wodoru.

W Nature Communications zostały opublikowane nowe badania dotyczące rozwiązania tego problemu, którym jest niedrogi, beziskrowy, optyczny czujnik wodoru, mający większą czułość i szybkość w porównaniu do poprzednich rozwiązań.  

- Obecnie większość komercyjnych czujników wodoru wykrywa zmianę sygnału elektronicznego w materiałach aktywnych w wyniku interakcji z gazowym wodorem, co może potencjalnie wywołać zapłon wodoru przez iskrzenie elektryczne – oznajmił Tho Nguyen, profesor fizyki w Franklin College of Arts and Sciences, współkierownik projektu badawczego.

- Nasze beziskrowe optyczne czujniki wodoru wykrywają obecność wodoru bez zbędnej elektroniki, dzięki czemu proces jest znacznie bezpieczniejszy – dodał.

Nie tylko samochody

Wykorzystanie energii wodorowej ma o wiele szersze spektrum, niż zasilanie pojazdów elektrycznych, a technologie zmniejszające palność mają kluczowe znaczenie w komercjalizacji tego alternatywnego paliwa w wielu sektorach. Dokładne i zapewniające bezpieczeństwo czujniki do wykrywania wycieków wodoru oraz kontroli jego stężenia są istotne na wszystkich etapach wykorzystania gazu. Jest to niezmiernie ważne dla gospodarki opartej na wodorze, w tym w produkcji, dystrybucji, przechowywaniu i wykorzystaniu w przetwórstwie i produkcji ropy naftowej, sektorze produkcji nawozów, sektorze metalurgicznym, elektronice, czy nawet w laboratoriach badawczych.

Trzy kluczowe problemy związane z czujnikami wodoru to: czas odpowiedzi, czułość detekcji i ich koszt. Obecnie powszechnie stosowana technologia czujników optycznych H2 wymaga użycia kosztownego monochromatora do rejestrowania widma, a następnie analizy porównania przesunięcia widma, w celu wykrycia wycieku.

- Dzięki naszym nanoczujnikom optycznym opartym na intensywności detektora, przechodzimy od wykrywania wodoru z czułością około od 2 ppm do 100 ppm, kosztem kilku dolarów za chip czujnikowy – powiedział Tho.
„Nasz czas detekcji wynoszący 0,8 sekundy jest o 20% szybszy niż w przypadku najlepszego dostępnego obecnie urządzenia optycznego opisywanego w literaturze” – dodaje.

Jak to działa?

Nowe urządzenie optyczne opiera się na nanowytwarzaniu szablonu nanosfery pokrytego warstwą stopu palladu i kobaltu. Obecny wodór jest szybko wchłaniany, a następnie wykrywany przez diodę LED. Silikonowy detektor rejestruje natężenie przepuszczanego światła.

– Wszystkie metale mają tendencję do pochłaniania wodoru, ale dzięki dopasowaniu odpowiednich pierwiastków w równowadze w stopie, zaprojektowaniu nanostruktury w celu wzmocnienia zmian w przepuszczalności światła po absorpcji wodoru, byliśmy w stanie wyznaczyć nowy punkt odniesienia dla szybkości i czułości tych elementów – powiedział George Larsen, starszy naukowiec z Savannah River National Laboratory i współkierownik projektu. – Wszystko to przy jednoczesnym zachowaniu możliwie najprostszej platformy czujników – dodał naukowiec.

Innowacyjne detektory wycieku wodoru, mogą rozszerzyć stosowanie tego zielonego paliwa oraz wspomóc transformację energetyczną z udziałem tego źródła energii.

Badania są wspierane głównie przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych oraz program badań i rozwoju ukierunkowany na laboratorium SRNL.