火星甲烷檢測儀識別天然氣泄漏

火星甲烷檢測儀識別天然氣泄漏

世界上最簡單、最古老的生物體之一——甲烷細菌是一種單細胞原生生物，其出現于大約30億年前，屬于厭氧微生物，主要存活于動物的腸道、濕地、沼澤、未經處理的污水、海底沉積物、河湖淤泥、水稻田等與氧氣隔絕的環境中，由于代謝會產生和釋放甲烷而得名。

2003年，美國國家航空航天局（NASA）的科學家探測到火星大氣中存在甲烷氣體。考慮到甲烷細菌在嚴酷厭氧環境中的生存能力，科學家認為，這有可能是火星上存在甲烷細菌等生命的有力證據。但是，火星大氣中的甲烷氣體也可能是由于火山等地質的物理化學反應過程形成的，因此，現場確認這些甲烷氣體的存在，并確定其來源，是確定火星上目前，以及曾經是否存在生命的關鍵一步。21世紀初，在火星科學實驗室（MSL，也稱為“好奇”號火星探測器）的研制過程中，NASA噴氣推進實驗室（JPL）的工程師開始研發一種能夠檢測甲烷及其同位素，以及二氧化碳和水的設備。該設備計劃作為“好奇”號火星探測器搭載的火星樣品分析儀（SAM）所要配備的三大氣體分析儀之一，將用于火星大氣分析。

該設備被稱為可調諧激光光譜儀（TLS）。首先，該設備上設置有一個氣體入口，探測器周圍的空氣，以及從探測器獲得的固體樣品轉化而來的氣體可通過該入口進入TLS。然后，在TLS內部，可通過中紅外激光束對氣體進行分析。特定波長的光線會與甲烷等特定的氣體分子產生共振，從而使光線被儀器吸收。這樣，研究人員通過探測器測定通過樣品后的光線強度，即可確定氣體的成分。

NASA對開發激光和可調諧激光光譜儀技術的資金支持使得該技術在地球和行星科學研究中也獲得了應用。此前用于探測甲烷的室溫激光器并不適用于火星探索任務，因為其僅能發射可見光或近紅外光，而甲烷在可見光和近紅外波段的吸收性很弱，因此，用于探測甲烷的傳統的激光器為了捕捉更多的信號，儀器設備的外形尺寸都非常大。而這種設備對于空間和重量都非常珍貴的“好奇”號探測器來說是不可能被采用的。

▲ 火星上可能存在的甲烷活動示意圖

作為替代方案，NASA噴氣推進實驗室微器件研究所自20世紀90年代早期開始研發帶間級聯激光器。在“好奇”號火星探測器開始研發時，該項技術已經足夠成熟，可以此為基礎開發一種分布式反饋激光器，可發射波長約為3.3μm的激光，非常適用于甲烷的檢測。該激光器的效率較高，這也使得新開發的儀器設備具有較為緊湊的結構。這些特性使其成為TLS激光器的理想選擇，并成功于2012年安裝在SAM中發射升空。事實證明，該激光器制造技術也能夠對地球上的能源領域產生重要的影響，是改進能源領域效能的一種重要的工具。

▲ 火星科學實驗室攜帶了可探測甲烷的火星樣品分析儀

天然氣的主要成分是甲烷，甲烷不僅是微生物可能存在的標志，也是導致全球氣候變暖的溫室氣體之一。美國環境保護局的數據顯示，甲烷是世界上第二大溫室氣體，而地下天然氣輸送管道泄漏是造成甲烷排放的主要原因。工業界研究開發了多種方法來檢測甲烷氣體的泄漏，但傳統的甲烷檢測裝置具有體積龐大、靈敏度低等缺點。美國太平洋燃氣與電力（PG&E）公司的發言人海利·威爾遜稱，不論刮風下雨，天然氣管道檢測人員每天都要在周圍區域進行管道檢測，傳統的甲烷檢測裝置體積龐大、結構笨重，不方便攜帶。此外，傳統的甲烷檢測裝置靈敏度較低，只有檢測裝置已經非常接近泄露源時，裝置才會發出警報，工作效率和安全性較低。而如果采用靈敏度較高的儀器裝置，其體積就將非常龐大，需要安裝在車輛上使用。這種裝置不適用于草坪、庭院，以及其它車輛無法靠近的場所的甲烷泄漏檢測。

為了克服上述缺點，減少天然氣泄露導致的溫室氣體排放，2013年，國際管道研究協會（PRCI）和噴氣推進實驗室聯合發起了一項有償太空法案協議，致力于將帶間級聯半導體激光器安裝在手持甲烷檢測設備中。據悉，PRCI是一家由能源企業聯合發起成立的研究組織。PG&E公司、南加利福尼亞天然氣公司和雪佛龍公司等企業都參與了直接投資。

2013～2014年，噴氣推進實驗室的科學家以TLS為模板，成功研制出一款小型光譜儀。該光譜儀主要在地球上使用，無需使用為太空應用專門開發的零部件，因此，其設計更為靈活，尺寸也更小。該設備由PG&E公司進行了測試，并進行了多次改進，進一步提高了設備的使用舒適性和實用性。2014年末，噴氣推進實驗室完成了手持甲烷檢測儀的設計。目前，該設備已完全具備了商業化條件。

該手持甲烷檢測儀獲得了現場檢測人員的關注和贊譽。其類似于簡單的金屬探測器，輕巧方便，非常便于手持使用。而傳統的甲烷檢測儀短小、笨重，需要置于特定的角度才能工作。此外，該手持甲烷檢測儀的靈敏度顯著優于此前的手持儀器。采用NASA技術的新型檢測儀的檢測靈敏度達到10-8，比傳統手持檢測儀的靈敏度（10-6）提高了100倍，因而更易于發現微小的甲烷泄漏源。

此外，在該手持甲烷檢測儀原型開發階段開發的一項關鍵創新技術——以語音方式讀取濃度值，也進一步提高了甲烷檢測的效率。與傳統的警報提示聲相比，該設計更容易被使用者接受，而且更適用于對聲音的音調和音量大小不太敏感的人員。

對于PG&E公司而言，該項技術的開發與應用取得了成功。采用這種新型的甲烷檢測儀，工作人員能夠更簡便、快速地查找到泄漏源，提高了安全性，減少了溫室氣體排放。此外，支持能源領域的創新是PG&E公司的重要目標之一。該公司也為可以使用用于火星探索的技術來完成甲烷泄漏檢測感到非常高興。（唐甜）

Mars Methane Detector Identifies Harmful Gas Leaks

▲ 工作人員測試新型手持甲烷檢測儀