09.12.2022 - Chalmers University of Technology

Un sensor óptico ultrasensible puede reducir los riesgos del hidrógeno

La tecnología de IA abrió el camino

En la búsqueda de energías limpias y renovables, el hidrógeno desempeña un papel importante. Pero uno de los principales retos a los que se enfrenta esta transición es que el gas es explosivo cuando se mezcla con el aire. Por eso es crucial poder detectar fugas de hidrógeno lo antes posible. Investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers, la Universidad Libre de Ámsterdam y la Universidad Tecnológica de Eindhoven han desarrollado un sensor óptico capaz de detectar niveles mínimos de hidrógeno.

El hidrógeno se considera una parte importante de la descarbonización del sector del transporte pesado y en todo el mundo se están desarrollando e implantando trenes, camiones y aviones propulsados por hidrógeno. Incluso en la industria pesada, el hidrógeno se considera muy importante, por ejemplo para la producción de acero sin combustibles fósiles.

Los riesgos de almacenar o utilizar hidrógeno son bien conocidos. Sólo se necesita un cuatro por ciento de hidrógeno en el aire para que se forme una mezcla explosiva (knallgas) que puede inflamarse a la menor chispa. Por eso es importante disponer de sensores ultrasensibles que controlen las fugas y den la alarma en niveles críticos.

La seguridad es primordial en el uso del hidrógeno

En colaboración con colegas holandeses, investigadores del Departamento de Física de la Universidad Tecnológica de Chalmers (Suecia) han desarrollado un sensor óptico de hidrógeno que detecta niveles de hidrógeno sin precedentes. Se une así a los sensores más sensibles del mundo. Los resultados de la nueva investigación se presentan en un artículo publicado en Nature Communications.

"La seguridad es de la máxima importancia en todo uso y almacenamiento de hidrógeno. Si las fugas se detectan a tiempo, se pueden arreglar de modo que, con suerte, no sea necesario poner la planta o el vehículo fuera de servicio en absoluto", afirma el profesor de Chalmers Christoph Langhammer, uno de los autores principales del artículo científico.

La tecnología de IA abrió el camino

El sensor óptico de hidrógeno está formado por muchas nanopartículas metálicas que trabajan juntas para detectar hidrógeno en su entorno. El enfoque con el que se diseñó el nuevo sensor difiere de lo que se había hecho anteriormente. En lugar de producir un gran número de muestras y probarlas individualmente para ver cuál funciona mejor, los investigadores han utilizado tecnología avanzada de IA para crear la interacción óptima entre las partículas en función de su distancia entre sí, su diámetro y su grosor. El resultado es un sensor que detecta cambios en la concentración de hidrógeno tan pequeños como unas centésimas de milésima.

El secreto del bajo límite de detección del nuevo sensor es la combinación de la disposición de las partículas en un patrón regular sobre una superficie y sus dimensiones ajustadas. Esto ha resultado ser más favorable para la sensibilidad del sensor que la disposición aleatoria de las partículas utilizada en sensores anteriores del mismo tipo.

El grupo de investigación de Christoph Langhammer ya había presentado el sensor de hidrógeno más rápido del mundo. Para él, está claro que se necesitan muchos tipos distintos de sensores y que hay que optimizarlos para aplicaciones específicas.

"La tecnología en torno al hidrógeno ha dado un salto de gigante y, por tanto, los sensores actuales tienen que ser más precisos y adaptarse a distintos fines. A veces se necesita un sensor muy rápido, otras uno que funcione en un entorno químico agresivo o a bajas temperaturas. Un único diseño de sensor no puede satisfacer todas las necesidades", afirma Christoph Langhammer, que también es uno de los fundadores de un nuevo centro de competencia: TechForH2.

La industria y el mundo académico colaboran en el campo del hidrógeno

El nuevo centro dirigido por Chalmers reúne al mundo académico y a la industria para desarrollar nuevas tecnologías del hidrógeno centradas en la descarbonización de los sistemas de transporte pesado. TechForH2 está dirigido por el catedrático Tomas Grönstedt, del Departamento de Mecánica y Ciencias Marítimas de Chalmers.

"Cuando la comunidad investigadora y la industria se fusionan, podemos pasar al siguiente nivel, de forma que lo que produzcamos pueda aplicarse y responder a las necesidades y retos que existen en la industria. Esto es aplicable al desarrollo de sensores, así como a la investigación relacionada con la propulsión de vehículos pesados o aviones mediante gas hidrógeno", afirma Tomas Grönstedt, quien menciona que un avión eléctrico con una autonomía de 500 kilómetros podría aumentar su autonomía hasta los 3.000 kilómetros si estuviera propulsado por hidrógeno.

Cómo funciona el sensor óptico de hidrógeno

El sensor que han desarrollado los investigadores se basa en un fenómeno óptico, los plasmones, que se producen cuando las nanopartículas metálicas captan la luz y dan a las partículas un color distinto. Si las nanopartículas son de paladio o de una aleación de paladio, su color cambia cuando varía la cantidad de hidrógeno en el entorno, y el sensor puede activar una alarma si los niveles se vuelven críticos.

Para encontrar la combinación definitiva de disposición en la superficie y geometría de las partículas en el sensor, los investigadores utilizaron un algoritmo de inteligencia artificial llamado optimización de enjambre de partículas para lograr la mayor sensibilidad posible a la exposición al hidrógeno. La colocación de las partículas en un patrón regular definido con gran precisión resultó ser la solución.

Basándose en el diseño de inteligencia artificial, se fabricó el sensor óptico de hidrógeno optimizado y se comprobó que era el primero de su clase en detectar ópticamente hidrógeno en el rango de "partes por billón" (250 ppb).

El nuevo sensor se basa en un fenómeno óptico, los plasmones, que se producen cuando las nanopartículas metálicas captan la luz y dan a las partículas un color distinto. Este color cambia cuando varía la cantidad de hidrógeno en el entorno y el sensor puede dar la alarma en niveles críticos.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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