Broei­kas­gas­sen opsporen met een laser

Met het oog op de voort­schrij­den­de kli­maat­ver­an­de­ring moeten we de ver­schil­len­de bronnen en putten van broei­kas­gas­sen wereldwijd in realtime monitoren en begrijpen. Een van de manieren om dit te bereiken, is het reguleren en bewaken van door de mens ver­oor­zaak­te me­thaan­emis­sies. La­ser­sys­te­men, zoals ontwikkeld door on­der­zoe­kers van Fraunhofer ILT, bieden manieren om dit te doen. Ze vormen het hart van LIDAR-in­stru­men­ten en kunnen broei­kas­gas­sen in de atmosfeer nauwkeurig bepalen met een hoge ruimtelijke en temporele resolutie, zelfs vanaf grote afstanden.

De zomer van 2024 was verreweg de warmste sinds het begin van de metingen. Naast kooldioxide is methaan een van de belangrijkste oorzaken van de opwarming van de aarde. Als broeikasgas is methaan meer dan 25 keer actiever dan koolstofdioxide.

Con­cen­tra­ties registreren en monitoren

Hoewel grotendeels bekend is hoe methaan in de atmosfeer terechtkomt, is het meestal onduidelijk waar en wanneer dit gebeurt en in welke mate. Daarom is het belangrijk om de concentratie broeikasgassen in de atmosfeer nauwkeurig te registreren en te monitoren. Tot nu toe is methaan vanuit de ruimte alleen passief gemeten, via het zonlicht dat door dit gas in de atmosfeer wordt geabsorbeerd. Uit de absorptie kunnen onderzoekers dan de concentratie berekenen. Deze methode werkt echter alleen overdag en de nauwkeurigheid is beperkt.

LIDAR-systeem

Als alternatief kan een LIDAR-systeem (LIght Detection And Ranging) de methaanconcentratie rechtstreeks bepalen. Het LIDAR-systeem gebruikt lasers met twee golflengten rond 1645 nm om de meting onafhankelijk te maken van externe factoren, zoals de sterk fluctuerende reflectiviteit van het aardoppervlak. Hiervoor meet het de lichtabsorptie van de atmosfeer bij golflengten met maximale en minimale methaanabsorptie. De methaanconcentratie in de luchtkolom in het meetpad wordt berekend door de gemeten waarden te vergelijken.

LIDAR-meting per helikopter

Een reeds bekende toepassing van LIDAR-technologie voor het bepalen van lokale methaanconcentraties is het onderzoek van pijpleidingen. Aardgas bestaat voor ongeveer 85 procent uit methaan. Elk lek tijdens de exploratie of het transport is dus een bron van methaan. Dit is niet alleen schadelijk voor het klimaat, maar vormt ook een acuut explosiegevaar. Daarom controleren exploitanten pijpleidingen, compressorstations en andere faciliteiten op methaanlekken. Het bedrijf Adlares uit Teltow bij Berlijn heeft hiervoor de CHARM-methode (CH4 Airborne Remote Monitoring) geïmplementeerd. Daarmee kunnen ze methaanconcentraties meten door middel van een helikoptervlucht.

Meten is weten

De helikopter vliegt met snelheden tot 180 km/u op een hoogte van 100 tot 150 meter. Door deze hoge snelheid is er ook een hoge meetsnelheid van 1000 meetpunten per seconde. Daardoor kunnen onderzoekers lekkages registreren vanaf 150 l/u bij windsnelheden tot 24 km/u. Een team van het Fraunhofer Instituut voor Lasertechnologie ILT in Aken ontwikkelde de straalbron voor het LIDAR-systeem. In de tweede CHARM-generatie bevat deze twee diode-gepompte Nd:YAG lasers met een bijzonder smalle lijnbreedte. Adlares leverde een optische parametrische oscillator die de golflengte van de laser omzet van ongeveer 1 µm naar het midden-infrarood op 3,3 µm.

10.000 kilometer

Inmiddels heeft de helikopter niet alleen 10.000 kilometer pijpleidingen met het LIDAR-systeem doorkruist. Ook werden emissies van stortplaatsen, afvalwaterzuiveringsinstallaties, kolenmijnen en boerderijen onderzocht. Het systeem is zo gevoelig dat het zelfs de dampen van een enkele koe kan meten.

De aard­at­mos­feer in kaart brengen met een satelliet

Afzonderlijke installaties kunnen snel per helikopter worden gecontroleerd. Maar deze aanpak is te duur en te langzaam voor een wereldwijde zoektocht naar methaanbronnen. Als permafrost bijvoorbeeld ontdooit, kan het methaan in lage concentraties uitstoten over enorme gebieden. Daarom hebben de Duitse en Franse ruimtevaartorganisaties enkele jaren geleden de MERLIN-missie (Methane Remote Sensing LIDAR Mission) gepland. Een satelliet moet de methaanconcentratie in de atmosfeer van de aarde meten en in kaart brengen vanaf een hoogte van ongeveer 500 kilometer. Aan boord van de satelliet bevindt zich een LIDAR-instrument met een laserstraalbron van het Fraunhofer ILT in Aken.

Industriële bedrijven en on­der­zoeks­in­sti­tu­ten

De technologieën voor het LIDAR-instrument van de MERLIN missie zijn ontworpen en ontwikkeld door een consortium van Duitse industriële bedrijven en onderzoeksinstituten. De wetenschappelijke verantwoordelijkheid ligt bij de LIDAR-afdeling van het DLR-instituut voor atmosferische fysica (IPA) in Oberpfaffenhofen.

Langdurig onderzoek

Fraunhofer ILT ontwikkelt al jaren technologieën voor dergelijke lasersystemen met ruimtekwalificatie voor partners als DLR, Airbus Defence and Space, TESAT Spacecom en ESA. De organisatie uit Aken heeft hiervoor nu een complete productietechnologie ontwikkeld. De componenten die op deze manier worden gefabriceerd, zijn bestand tegen de spanningen van lancering en gebruik in de ruimte.

Kenmerken LIDAR-systeem

De laser in de kern van het LIDAR-systeem moet schokken tot 300 g en trillingen tot 25 g kunnen weerstaan, evenals wisselende thermische belastingen van -30 °C tot +50 °C. De ontwikkelaars moeten ook organische materialen zoals lijm zoveel mogelijk vermijden om de hoogzuivere spiegeloppervlakken niet te verontreinigen. En natuurlijk moet de laser onderhoudsvrij en zonder degradatie functioneren voor de duur van de missie van meer dan drie jaar.

Toekomstige technologie LIDAR

ESA beschouwt LIDAR-systemen als een belangrijke toekomstige technologie met een groot potentieel voor de verdere ontwikkeling van mondiale weermodellen. Enerzijds kunnen ze de weersvoorspelling aanzienlijk verbeteren, met bijzondere aandacht voor rampenbeheer. Met het toenemende aantal extreme weersomstandigheden als gevolg van de klimaatverandering neemt ook de behoefte aan vroegtijdige waarschuwing en snelle actie toe. Anderzijds is er met de uitbreiding van hernieuwbare energiebronnen een toenemende behoefte aan nauwkeurige voorspellingen van lokale windomstandigheden en zonuren. Hoe groter het aandeel volatiele energiebronnen, hoe belangrijker het is om de netinfrastructuur gericht te controleren en te bewaken.

Openingsfoto: De helikopter met het LIDAR-systeem heeft al tienduizenden kilometers gevlogen om leidingen te controleren op lekken (foto: Fluxys, Avenue des Arts 31, B-1040 Brussels / Photo Fluxys Belgium – David Samyn)

Lees ook: ESA zet Nederlandse TANGO-satellieten in voor monitoren van uitstoot broeikasgassen