Di Tu Wien (Wina), metode sedang dikembangkan untuk mengekstraksi zat berharga dari biomassa – dan laser kaskade kuantum menawarkan beberapa kemungkinan baru yang sangat menarik.
Sebagian besar limbah kita terlalu berharga untuk hanya dibakar. Jika didaur ulang dengan cara yang dikendalikan dengan cermat, energi termal tidak hanya dapat dihasilkan, tetapi gas yang dihasilkan juga dapat digunakan untuk menghasilkan bahan kimia yang berharga – dari hidrogen ke metana atau metanol. Namun, proses produksi gas perlu dipantau dan diatur secara ketat.
Sampai sekarang, produk sampingan yang sangat umum dari gasifikasi – uap air – telah menjadi sakit kepala tertentu. Untuk mengontrol gasifikasi secara efisien, penting untuk mengetahui kadar air gas produk seakurat mungkin. Namun, metode konvensional membuat sulit untuk mengukur kadar air. Dalam kolaborasi antara rekayasa proses dan fotonik di Tu Wien (Wina), masalah ini sekarang telah diselesaikan dengan menggunakan jenis sumber cahaya yang sangat istimewa: radiasi terahertz dari laser kaskade kuantum. Teknologi kuantum yang canggih sekarang mendukung daur ulang biomassa ramah lingkungan.
Pengukuran konvensional tidak cukup
“Banyak komponen kimia dari gas produk dapat dideteksi menggunakan cahaya inframerah,” jelas Florian Müller, yang sedang meneliti sistem karbon terbarukan sebagai bagian dari program PhD co2refinery di Institute of Chemical, Engruppeal and Biological Engineering di TU Wien. “Molekul yang berbeda menyerap panjang gelombang yang berbeda dari cahaya inframerah. Dengan mengukur bagian mana panjang gelombang diserap oleh sampel, dimungkinkan untuk menentukan apakah sampel mengandung zat tertentu atau tidak.”
Namun, ini sulit dilakukan dengan uap air, produk sampingan yang sangat penting untuk proses produksi gas. “Ketika Anda mengubah biomassa menjadi gas, Anda berakhir dengan campuran gas yang rumit yang tidak hanya mengandung uap air tetapi juga banyak hidrokarbon yang berbeda,” kata Florian Müller. Dan beberapa di antaranya menyerap radiasi inframerah pada frekuensi yang persis sama dengan air. Ini berarti bahwa tidak mungkin untuk mengatakan dengan tepat zat mana yang bertanggung jawab atas penyerapan, dan oleh karena itu kadar air dalam gas produk tidak dapat ditentukan secara akurat. Anda dapat mendinginkan sampel gas dan kemudian mengukur jumlah air kental – tetapi ini membutuhkan waktu. Tidak mungkin bereaksi dengan cepat terhadap konsentrasi air yang berfluktuasi, dan ini membuat operasi yang efisien menjadi sulit.
Tu wien mengembangkan sumber radiasi terahertz
Namun, pada saat yang sama, Michael Jaidl sedang melakukan penelitian di Institute of Photonics di Tu Wien pada balok laser di kisaran terahertz, yaitu radiasi dengan panjang gelombang yang sedikit lebih panjang dari radiasi inframerah yang biasa digunakan saat ini untuk pengukuran spektroskopi. Michael Jaidl dan Florian Müller adalah teman lama yang telah saling kenal sejak hari -hari sekolah – dan mereka datang dengan gagasan menggabungkan bidang penelitian mereka.
Michael Jaidl mampu menunjukkan bahwa frekuensi dalam kisaran terahertz dapat ditemukan yang secara khusus diserap hanya oleh molekul air dan bukan oleh banyak zat lain yang ada dalam konsentrasi signifikan dalam gas produk dari pabrik gasifikasi biomassa. Masalah mendeteksi uap air dapat diselesaikan dengan menggunakan radiasi terahertz alih -alih radiasi inframerah yang biasa.
Radiasi terahertz sulit diproduksi. Di Tu Wien, trik dari teknologi kuantum digunakan untuk menghasilkan laser kaskade kuantum – semikonduktor kecil dengan struktur geometris yang dibuat khusus pada skala nanometer yang memastikan bahwa hanya radiasi panjang gelombang yang sangat spesifik yang dipancarkan ketika tegangan listrik diterapkan. Laser kaskade kuantum ini membutuhkan pendinginannya sendiri, tetapi kedua peneliti telah berhasil mengembangkan perangkat portabel yang ringkas yang dapat mengukur kadar air dalam gas produk panas menggunakan balok terahertz.
Tes sukses pertama
“Keuntungan utama dari metode kami adalah memberikan hasil yang dapat diandalkan pada berbagai konsentrasi dan suhu uap air,” kata Michael Jaidl. “Ini karena radiasi terahertz yang kami gunakan sangat diserap oleh uap air – ini memungkinkan kami untuk menggunakan pengaturan yang lebih kompak. Keuntungan utama lainnya dari desain kompak adalah bahwa suhu dalam sel pengukur tidak berfluktuasi sebanyak itu, yang mengurangi risiko kesalahan.”
Fakta bahwa metode baru ini bekerja dengan sempurna ditunjukkan dalam percobaan produksi gas menggunakan kayu limbah di kampus Getreidemarkt di Tu Wien. Sekarang kedua peneliti dan tim mereka ingin meningkatkan teknologi mereka lebih jauh: pertama, untuk membuatnya lebih berguna dan ramah pengguna, dan kedua, untuk menyelidiki apakah komponen lain dari gas produk dapat secara andal terdeteksi menggunakan teknologi terahertz.
Publikasi asli
FJ Müller et al., Kuantifikasi uap air dalam gas produk mentah oleh laser kaskade kuantum, konversi dan manajemen energi: x 26, 100906 (2025). https: // www.sciencedirect.com/science/article/pii/s2590174525000388
