I jakten på ren och förnybar energi spelar vätgasen en viktig roll. Men en stor utmaning är att gasen kan bli explosiv i kontakt med luft. Därför är det avgörande att kunna upptäcka läckor så tidigt som möjligt. Nu har forskare vid Chalmers, Vrije Universiteit Amsterdam och Eindhoven tekniska universitet tagit fram en optisk sensor som kan känna av rekordlåga halter av vätgas.

Den nya sensorn bygger på ett optiskt fenomen, plasmoner, som uppstår när nanopartiklar av metall fångar upp ljus och ger partiklarna en distinkt färg. Färgen skiftar när mängden vätgas i omgivningen förändras och sensorn kan slå larm om nivåerna blir kritiska. Foto: Chalmers tekniska högskola | Yen Strandqvist

Vätgas ses som en viktig del i klimatomställningen av tunga transporter och runt om på jorden satsas det nu på vätgasdrivna tåg, lastbilar och flygplan. Även inom tung industri är vätgasen en viktig energibärare, till exempel för framställning av fossilfritt stål. Säkerhetsriskerna med att lagra eller använda väte är välkända. Det krävs bara fyra procent väte i luften för det ska bildas knallgas som kan antändas vid minsta gnista. Därför är det viktigt att superkänsliga sensorer finns på plats och kan bevaka läckor och larma vid kritiska nivåer.

Tillsammans med nederländska kollegor har nu forskare vid institutionen för fysik på Chalmers tagit fram en optisk vätgassensor som känner av rekordlåga halter av vätgas. Den sällar sig därmed till de känsligaste sensorerna i världen. De nya forskningsresultaten presenteras i en artikel i Nature Communications.

– Säkerhet är av yttersta vikt vid all användning och lagring av vätgas. Om mycket små läckor upptäcks tidigt kan de åtgärdas så att du förhoppningsvis inte behöver ta anläggningen eller fordonet ur drift, säger Chalmersprofessorn Christoph Langhammer, en av huvudförfattarna till den vetenskapliga artikeln.

Den optiska vätgassensorn består av många nanopartiklar i metall som samverkar för att känna av vätgas i sin omgivning. Tillvägagångssättet för hur den nya sensorn designats skiljer sig från tidigare tillfällen. I stället för att ta fram ett stort antal prover och testa dem var och en för sig för att se vilken som fungerar bäst, har forskarna tagit hjälp av avancerad AI-teknik för att skapa det optimala samspelet mellan partiklarna utifrån deras avstånd till varandra, diameter och tjocklek. Resultatet är en sensor som känner av förändringar i vätgaskoncentration som är så små som några hundratusendelar av en procent.

Hemligheten bakom den nya sensorns låga detektionsgräns är partiklarnas placering i ett regelbundet mönster på en yta. Detta visade sig vara mer gynnsamt för sensorns känslighet än den slumpartade placering som gjorts i tidigare sensorer av samma typ.

Christoph Langhammers forskargrupp har tidigare kunnat presentera världens snabbaste vätgassensor. För honom står det klart att många olika slags sensorer behövs och att de kommer att vara i samspel med varandra. Christoph Langhammer är även en av grundarna till ett nytt kompetenscentrum: TechForH2.

– Teknologin kring vätgas har tagit ett jättesprång och därför behöver dagens sensorer både bli vassare och mer skräddarsydda för olika ändamål. Ibland behövs en mycket snabb sensor, ibland behövs en som fungerar i tuff kemisk miljö eller vid låga temperaturer. En sensorvariant kan inte tillgodose alla behov.

Det nya Chalmersledda centrumet samlar både akademi och industri för att utveckla ny teknik inom vätgasframdrivning, som ett steg i omställningen till fossilfria tunga transportsystem. TechForH2 leds av Tomas Grönstedt, professor vid institutionen för mekanik och maritima vetenskaper på Chalmers.

– När forskarvärlden och industrin går samman kan vi ta oss till nästa nivå, så att det vi tar fram kan tillämpas och möta de behov och utmaningar som finns inom industrin. Det gäller såväl sensorutveckling som annan forskning som knyter an till framdrivning av tunga fordon och vätgas, säger Tomas Grönstedt, som nämner att ett eldrivet flygplan med en räckvidd på 500 kilometer skulle kunna öka sin räckvidd till 3000 kilometer om det drevs med vätgas.

Den sensor som forskarna har utvecklat bygger på ett optiskt fenomen, plasmoner, som uppstår när nanopartiklar av metall fångar upp ljus och ger partiklarna en distinkt färg. Är nanopartiklarna gjorda av palladium eller en palladiumlegering så ändras deras färg när mängden vätgas i deras omgivning förändras och sensorn kan slå larm om nivåerna blir kritiska.

För att hitta den ultimata placeringen av partiklarna i sensorn använde sig forskarna av en artificiell intelligens-algoritm kallad partikelsvärmsoptimering. Syftet var att partiklarnas placering skulle leda till högsta möjliga känslighet för exponering av väte. Att placera partiklarna i ett mycket exakt definierat regelbundet mönster visade sig vara svaret.

Utifrån AI-beräkningarna tillverkades den optiska vätgassensorn, vilken är den första i sitt slag att optiskt detektera väte i ”parts per billion”-intervallet (250 ppb – alltså 2,5 hundratusendelar av en procent).

Den vetenskapliga artikeln Inverse designed plasmonic metasurface with parts per billion optical hydrogen detection har publicerats i Nature Communications och är skriven av Ferry Anggoro Ardy Nugroho, Ping Bai, Iwan Darmadi, Gabriel W. Castellanos, Joachim Fritzsche, Christoph Langhammer, Jaime Gomez Rivas och Andrea Baldi. Forskarna är verksamma vid Chalmers tekniska högskola, Vrije Universiteit Amsterdam och Eindhoven University of Technology. Forskarna vid Vrije och Eindhoven ligger bakom den AI-baserade designen av sensorytan och karaktäriseringen av de optiska egenskaperna, medan forskarna på Chalmers har tillverkat ytan och utfört mätningarna.

Den nya sensorns praktiska tillämpbarhet undersökts nu vidare inom det nystartade kompetenscentrumet TechForH2, som koordineras av Chalmers.

Forskningen har delvis finansierats av Stiftelsen för Strategisk Forskning, Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse och Energimyndigheten. Delar av arbetet har skett i Renrummet på Chalmers och på Chalmers Materialanalyslaboratorium (CMAL) under paraplyet för Chalmers Excellensinitiativ Nano.

TechForH2 är ett kompetenscentrum för vätgasteknik som koordineras och leds av Chalmers, med Rise som akademisk partner. En rad industripartner är delaktiga i TechForH2: Volvo, Scania, PowerCell, Johnson Matthey, Oxeon, GKN Aerospace, Insplorion, Siemens Energy och Stena.

TechForH2 ska bland annat fokusera på fordonsintegrerad energilagring, tillverkningsindustrins behov, sensorer, bränsleceller och teknik/styrmedel och innovationer i det framtida vätgassamhället.

Kompetenscentrumet har fått 54 miljoner kronor i finansiering från Energimyndigheten och har en total budget om 161 miljoner kronor de första fem åren, med möjlighet till ytterligare fem år.

Med förstärkning av nio nya doktorander och åtta postdoktorala forskare är förhoppningen nu att kunna bidra till kunskapsuppbyggnad och utbildning inom området, öka introduktionstakten för ny teknik och därmed bidra till omställningen till ett fossilfritt samhälle.

Filed under: SvenskTeknik