Egyre nagyobb hangsúlyt kapnak a hidrogéntechnológiák mint fenntartható alternatíva - különösen az ipari termelés és a mobilitás területén. Bárhol is használják, tárolják, szállítják és továbbítják a hidrogént, a megfelelő biztonsági óvintézkedéseket figyelembe kell venni. Annak ellenére, hogy a hidrogén nem mérgező, kisebb a súlya, mint a levegőé, és így a magasba emelkedik, előfordulhatnak veszélyes helyzetek: Ha ugyanis a levegő hidrogénkoncentrációja meghaladja a négy százalékos küszöbértéket, ami gyorsan bekövetkezhet, ha a hidrogéntartályban megfelelő nyomás van, vagy ha egy helyiséget nem szellőztetnek megfelelően, akkor egy kis gyújtóforrás, egyetlen szikra is elegendő ahhoz, hogy robbanást váltson ki - írta a Fraunhofer Gesellschaft.
Kicsi, könnyen integrálható és nem hordoz magában biztonsági kockázatot
Ennek megakadályozása érdekében egy megelőző megközelítésre van szükség, és Dr. Günter Flachenecker, a Fraunhofer HHI vezető kutatója tudja, hogyan lehet ezt megvalósítani. A goslari Fraunhofer HHI Fiber Optical Sensor Systems (száloptikai érzékelőrendszerek) laboratóriumi részlegénél a fizikus és csapata új technológiai megközelítéseken dolgozik a hidrogén üvegszálas érzékelőkkel történő kimutatására: "A hidrogén érzékelésére szolgáló hagyományos, kereskedelmi forgalomban kapható biztonsági érzékelők elektromos energiaellátást igényelnek. Ez a legrosszabb esetben akár gyújtóforrásként is működhet, és kiválthatja a robbanást, amelyet épp ellenkezőleg, meg kellene akadályozniuk, ha a készülék vagy az elektromos tápvezetékek hibásak" - magyarázza Flachenecker. "A mi száloptikás érzékelőinknél alapvetően nincs ilyen kockázat. Ugyanakkor nem igényelnek bonyolult kábelezést, kicsik, és könnyen beépíthetők a megfigyelendő üzem vagy jármű legkülönfélébb szerkezeteibe."
Ahhoz, hogy egy optikai szál hidrogénérzékelővé váljon, számos helyen módosítani kell. Ehhez először lézerrel bizonyos struktúrákat nyomnak a szál optikai magjába, létrehozva az úgynevezett optikai szálas Bragg rácsozatot - egy periodikus törésmutató-modulációt, amely biztosítja, hogy a fény egy bizonyos hullámhosszon verődjön vissza.
Funkcionális bevonat az érzékelő körül
Ezután egy speciális funkcionális bevonatot visznek fel az üvegszálas érzékelő rész köré, hogy az üvegszál kifejezetten a hidrogénre reagáljon: "Katalitikus rétegekkel dolgozunk, például palládiummal vagy palládiumötvözetekkel" - mondja Flachenecker. "A palládiumnak megvan az a képessége, hogy felszívja a hidrogént, mint egy szivacs. Amint a két anyag találkozik, a hidrogén atomjaira bomlik, a felszabaduló hidrogénatomok pedig behatolnak a palládium kristályvázába. Ez megnyúlást okoz az optikai szálban, ami a Bragg rácsozaton keresztül visszavert fényjelek változásaként azonnal mérhető. Amint a levegő hidrogénkoncentrációja ismét lecsökken, a hidrogén kiszabadul a palládiumból." Ez azt jelenti, hogy az érzékelő újra felhasználható. Az itt leírt folyamat csak azért működik, mert a hidrogénatomok nagyon kicsik. Más anyagok nem tudnak ilyen módon behatolni a palládiumrétegbe.
Az alkalmazások széles körének lehetőségei
Ez azonban nem az egyetlen módszer, amelyet a kutatók teszteltek. Lehetséges például a hidrogén kimutatása olyan üvegszálakkal is, amelyeknek a szálburkolatát elmaratták, vagy az üvegszálak felületére felvitt nagyon vékony nanorészecskékkel. "Ez egy nagy játéktér, és még sok mindent ki akarunk próbálni" - mondta Flachenecker. "Kritikus fontosságú, hogy olyan módszereket találjunk a hidrogén kimutatására, amelyek elég gyorsak a balesetek megelőzéséhez, és amelyek megbízhatóan reagálnak a szükséges érzékenységi tartományon belül. Ebben a tekintetben jelenleg minden bizonnyal jó eredményeket érünk el"."
A hidrogénszenzor-hálózatok valósággá válnak
A gyakorlatban például az új optikai szálas érzékelők a hidrogénüzemű járművek szerves részévé válhatnak, és a hidrogéntöltő állomások, autójavító műhelyek megfigyelésére használhatók. Erre a technológiára alapozva könnyen kiépíthető egy nagyobb érzékelőhálózat, amely egyszerre sok ponton figyeli a hidrogéninfrastruktúrát. A mérési adatok rögzítésére szolgáló elektronikát, például az optikai érzékelők kiértékelésére szolgáló spektrométert tetszőleges távolságra, biztonságos helyre lehetne telepíteni. Ha egy bizonyos hidrogénkoncentráció túllépésre kerül, és ezt az érzékelő észleli, akkor az adott alkalmazás riasztáskezelő rendszere működésbe lép, és néhány másodpercen belül konkrét intézkedések, például hangjelzés, szelepek elzárása vagy ablakok kinyitása kezdeményezhető.
