"Теперь у нас есть недорогой инструмент для сбора образцов первозданного пара в полевых условиях", - сказал исследователь Национальной лаборатории Sandia Рон Манджинелл, ведущий автор статьи для Обзора научных инструментов, часто цитируемого журнала Американского института физики.

В новой конструкции используется широко используемый сплав для размещения недорогого микроклапана, расположенного над камерой для отбора проб.

При нагревании сплав - разновидность припоя - плавится и вытекает, перекрывая входное отверстие. При охлаждении сплав затвердевает в непроницаемый блок, который герметизирует образец газа внутри инертной камеры внизу. Низкая стоимость должна сделать возможным широкое распространение этих датчиков, в то время как конструкция, не загрязняющая окружающую среду, помогает соответствовать строгим техническим требованиям.

Важен более качественный сбор данных, поскольку неопределенность в сборе фактических данных является одной из причин, по которой климатические модели позволяют делать различные выводы. Ветры могут уносить газы к месту отбора проб или в сторону от него, содержание газа в любом месте может меняться в зависимости от времени года, а пробы, собранные в полевых контейнерах, могут испариться или испортиться перед анализом в удаленной лаборатории. Проблему усугубляют трудности с широким распространением датчиков, которые могут быть тяжелыми, хрупкими и требовать дорогостоящего ухода со стороны людей.

Датчик микроклапана с фазовым переключением Sandia легкий, дешевый, прочный, недорогой в изготовлении и простой в эксплуатации. Он всасывает газ за считанные секунды через крошечное отверстие диаметром примерно в три человеческих волоса. Отверстие закрывается, когда крошечная, низкоэнергетическая конфорка на поверхности контейнера расплавляет сплав, через который проходит отверстие, герметизируя его.

Поскольку в маленьком контейнере не происходит выброса газов внутри, захваченный образец остается неповрежденным до тех пор, пока его не проанализируют в лаборатории. Простота миниатюрного датчика означает, что он может перемещаться в беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) или в качестве неконтролируемого груза на атмосферных шарах. Беднейшие страны могли бы позволить себе играть определенную роль в глобальном сборе климатических данных.

У него так много полезных функций, что возникает соблазн спросить, хотите ли вы вывезти его со стоянки сейчас или принять доставку на дом?

Исследователь Sandia Марк Айви теперь заинтересован. Он наблюдает за работой зондирующих воздушных шаров, которые поднимают датчики в небо для Министерства энергетики в Оликток-Пойнт и Барроу, Аляска. Миниатюрные дирижабли, способные отбирать образцы частиц, вокруг которых образуются облачные капли, привязаны к лебедкам, которые наматывают парящие воздушные шары обратно. Доставка датчиков в Барроу - место, куда не ездят по шоссе, - затем в воздух и обратно в лабораторию в нижних 48-х годах, имеет значение веса и размера.

"Меньше и легче - это большое дело для нас", - сказал Айви.

Команда Мангинелла планирует представить предложение по отбору проб атмосферы этой весной в НАСА для проведения так называемого "наземного измерения достоверности". У НАСА, по его словам, "есть тонна спутниковых данных, больше, чем они знают, что с ними делать", но агентству необходимо использовать данные наземных или бортовых датчиков, которые физически улавливают газы, о которых сообщают спутники, для калибровки удаленных приборов.

НАСА и Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA), которым нужны достоверные данные с земли, создали системы с термосными контейнерами, использующими обычные клапаны, которые открывают термосы, а затем закрывают их на определенных высотах. Однако колбы большие - возможно, пол-литра в размере - и тяжелые, а из клапанов, которые им требуются, может выделяться газ, что нарушает результаты измерений, сказал Манджинелл.

Выделение газов происходит, когда материал, используемый для контейнера, выделяет собственный газ, загрязняя атмосферный газ, находящийся в колбе.

Система Sandia "будет содержать 100 таких устройств в корпусе с макроклапаном сверху", - сказал Манджинелл. Высотомер посылает электрический импульс, который открывает макроклапан и наполняет упаковку воздухом. Небольшой насос создает давление, заполняя крошечные цилиндры. "Для управления миниатюрной системой вы бы использовали процессоры персонального компьютера (PC), которые можно разместить на печатной плате", - сказал он.

На воздушных шарах будут установлены локаторы глобального позиционирования. Малый вес сделает их пригодными для использования на воздушных шарах и беспилотных летательных аппаратах. Крошечные контейнеры изготовлены из трубок из оксида алюминия, дешевых и более инертных, чем стекло.

Данные, собранные крошечными цилиндрами, также могут быть использованы для подтверждения спутниковых снимков промышленных стоков, находящихся в воздухе, что необходимо для мониторинга сделок cap-and-trade.

Но не все потенциальные области применения находятся в верхних слоях атмосферы. Геологи бурят скважины для добычи нефти и понимания того, как образовалась Земля. "Трудно построить масс-спектрометр для погружения в скважину диаметром 2 дюйма", - сказал Манджинелл. "Мы предложили вместо этого использовать наши миниатюрные пробоотборники, оснащенные микроклапанами, для отбора проб, которые можно сразу доставить обратно на поверхность, а затем исследовать в лаборатории".

В медицине летучие соединения, выделяемые людьми и животными, указывают на болезненные состояния и стресс. "Медицина на месте оказания медицинской помощи, вместо того, чтобы брать образец крови, может измерять дыхание человека", - сказал Манджинелл. "Алкоголь дает грубый сигнал, но инфекции также содержат большое количество летучих веществ". Например, бактерии, вызывающие туберкулез у коров, выделяют характерную сигнатуру.

"Для сбора образца потребовался бы миниатюрный насос размером с последний сустав вашего большого пальца", - сказал Манджинелл. "Можно выполнять обнаружение на месте, но также захватывать образец в миниатюрной камере, чтобы отправить его обратно в лабораторию для проведения тестов золотого стандарта". По его словам, у E coli и сибирской язвы также есть летучие подписи.

Детектор также может быть использован военными для сбора и анализа газов на поле боя.

"За последние 15 лет мы потратили много времени на проведение полевых анализов для заказчиков: microchemlab работает для военных и General Electric, а также разрабатывает портативные детекторы газа. Это просто еще один инструмент в наборе инструментов ", - сказал Манджинелл. "Но мы были очень рады, что эта работа оказалась в целом рентабельной".

Работа, представленная в документе, "Исследование материалов микроклапана с фазовым переключением для сбора парниковых газов и других потенциальных применений", является межведомственной работой.

"Это немного отличается от того, что мы делали в прошлом", - сказал Манджинелл. "Повсеместный сбор парниковых газов должен быть чрезвычайно дешевым. Итак, мы собрали людей, которые занимались пайкой и металлизацией толстых пленок на керамике, которую можно масштабировать для крупносерийного производства. Некоторые проводили аналитическую химию, чтобы выяснить, загрязняем ли мы образец. Другие нашли идеальную смесь для пайки ".

Исследователь Sandia Курт Моури сказал: "Я убедился, что в собранном образце припоя не было CO 2, потому что тогда результаты измерений будут неважными".

По словам Манджинелла, большая определенность в сборе данных полезна из-за неопределенностей в прогнозах климата.

"Подавляющее большинство данных, похоже, указывает на тот факт, что происходит потепление, но как вы это объясняете: это естественное изменение или антропогенное влияние?" он сказал. "Распространение наших капсул значительно повысило бы точность полевых измерений. У вас была бы платформа, которая была бы повсеместной, на самолетах, беспилотных летательных аппаратах, воздушных шарах в странах, которые обычно не могут позволить себе делать эти вещи. В Индии трудно производить такие измерения, когда вы озабочены подачей еды на стол. Но для принятия законодательных или политических решений, скажем, по ограничению выбросов и торговле, важно проводить эти измерения точно ".

Финансирование поступило из программы исследований и разработок Sandia, направленных лабораторией (LDRD), сказал Манджинелл.

"Мы думали, что сможем выполнять более повсеместную работу по зондированию, чем все, что доступно в настоящее время", - сказал он.

Несмотря на успешное тестирование устройства, работа Мангинелла, как и наука, никогда не заканчивается.

"Что нам нужно создать дальше, так это нормально закрытую версию клапана, которая открывается, когда мы этого захотим", - сказал он. Предварительно запечатанный контейнер устранил бы другой возможный источник загрязнения при транспортировке.