A Spinoff a Day – Misurazione del metano: la Terra apprende da Marte

La nascita dell’idea

I batteri metanogeni vivono negli intestini degli animali, nelle paludi, nelle acque di scolo non trattate, nei sedimenti oceanici e in altri luoghi privi di ossigeno. Questi organismi monocellulari primordiali sono comparsi più di 3 miliardi di anni fa quando anche nell’atmosfera mancava l’ossigeno, ma c’era abbondanza di anidride carbonica e idrogeno, che questi microbi riescono a metabolizzare. Il loro nome deriva dal fatto che i metanogeni rilasciano metano.

Come abbiamo spiegato in questa puntata del podcast, non si sa ancora se il metano presente su Marte, e rilevato nel 2003, derivi da processi geochimici o biologici, ma in questo secondo caso i metanogeni sono i principali indiziati. A bordo di Curiosity è stato dunque inserito uno spettrometro laser in grado di studiare la composizione dell’atmosfera attorno al rover e dei gas emessi dai campioni di roccia scelti come oggetto di studio. Nel TLS (Tunable Laser Spectrometer), fasci laser nell’infrarosso colpiscono il materiale assorbendo la luce in determinati e frequenze, ad esempio quelle del metano; la riduzione dell’intensità luminosa attiva un allarme che allerta gli scienziati della presenza di questo gas.

Il TLS (Tunable Laser Spectrometer) a bordo di Curiosity. Fonte: NASA / JPL

I laser utilizzati precedentemente potevano solo emettere luce nel visibile e nel vicino infrarosso, ma come spiega lo scienziato del JPL Lance E. Christensen che ha sviluppato il TLS, “Il metano assorbe molto debolmente a queste lunghezze d’onda e, di conseguenza, avevamo bisogno di un modo per catturare molto più segnale. I laser di questo tipo a nostra disposizione erano molto difficili da installare su un rover, dove peso e volume sono considerati un lusso”. Come alternativa, NASA ha usato una tecnologia chiamata “interband cascade laser” nata nei laboratori del JPL stesso negli anni ’90. Questo laser compatto riesce ad emettere un raggio negli infrarossi a 3,3 micron, una lunghezza d’onda ideale per rilevare il metano.

Si scoprì poi che questo tipo di laser, montato a bordo di Curiosity e ancora funzionante, poteva essere usato anche sulla terra come importante strumento nel settore energetico.

Il trasferimento tecnologico

Il gas naturale che utilizziamo maggiormente è il metano, che secondo la l’Agenzia di Protezione Ambientale degli Stati Uniti è il secondo gas serra dopo l’anidride carbonica ad impattare sul riscaldamento globale. Di questo gas, le principali emissioni pericolose sono le fuoriuscite dai tubi sotterranei.

Il settore industriale è attivo nel rilevamento di queste fuoriuscite, ma gli attuali apparecchi di localizzazione hanno ancora qualche inconveniente: sono ingombranti, un problema per gli operai che devono trasportarli per lunghi tratti per molto tempo; e non sono particolarmente sensibili, e questo significa che un rilevatore deve essere molto vicino ad una fuga di gas per attivare l’allarme.

Nel 2013 l’azienda Pacific Gas & Electric, che fornisce energia alla maggior parte del nord California, ha quindi deciso di lavorare con il JPL ed il Pipeline Research Council International per incorporare il semiconduttore laser studiato per Curiosity in uno strumento portatile. Dopo due anni di studio e adattamenti ad un utilizzo manuale, nel 2014 il progetto è stato infine portato a termine e commercializzato.

Benefici

Lance Christensen testa il sensore da lui progettato. Fonte: NASA

Il rilevatore di metano è stato una sorpresa per gli operatori: un attrezzo simile ad un metal detector, semplice da utilizzare e maneggevole. “È estremamente leggero se lo paragoniamo a quello che dovevano portarsi appresso finora” afferma Hailey Wilson, una portavoce della PG&E.

Per quanto riguarda la sensibilità, a differenza degli strumenti precedenti in grado di rilevare una parte di metano su un milione, questo arriva a 10 parti su un miliardo, cento volte tanto! L’aumentata sensibilità rende molto più facile trovare, ad esempio, piccole fughe che escono da microfessure nel sottosuolo. “Con questa nuova tecnologia puoi captare una fuoriuscita a 30 metri di distanza, e lo strumento ti guiderà fino alla fonte”.

Una innovazione chiave sviluppata durante la fase di prototipazione è stata quella di inserire una voce che legge la concentrazione di gas sostituendo il solito beep, talvolta poco udibile. Per la PG&E questa tecnologia è una vittoria completa: “I nostri lavoratori apprezzano il prodotto, trovano le fuoriuscite più facilmente e velocemente, il che significa che aumentiamo la sicurezza e riduciamo le emissioni di gas serra, e sono orgogliosi di usare una tecnologia presente anche su Marte in questo momento” afferma Wilson.

Per approfondire:

Spinoff nel dettaglio [ENG]

Sito della Pacific Gas & Electric Company [ENG]

Sito della Pipeline Research Company International [ENG]

Gruppo Europeo della Ricerca sul Gas [FR]