Van schattingen naar realiteit: meerdere gassen meten met één fotonische chip

_{⌂ » Werk & ondernemen » Nijmegen innoveert}

Geen schattingen meer, maar daadwerkelijke metingen van gasemissies in bijvoorbeeld veestallen. Dat helpt om beter te weten waar precies de milieubelasting zit, en waar dus wel, of geen, maatregelen genomen moeten worden. Wetenschappers van het Trace Detection Laboratory van de Radboud Universiteit werken samen met partners in het One Planet Research Centre aan een nieuwe sensortechnologie met fotonische chips om zo’n meetinstrument, waar dringend behoefte aan is, mogelijk te maken. Aan dit project werd onlangs een subsidie van meer dan 6 miljoen euro toegekend door de Provincie Gelderland en het ministerie van Landbouw, Visserij, Voedselkwaliteit en Natuur.

Wetenschappers van het Trace Detection Laboratory (TDLab) van de Radboud Universiteit binnen het OnePlanet Research Centre-partnerschap nemen deel aan de ontwikkeling van een op fotonische chips gebaseerde sensor die gassen zoals ammoniak, methaan en kooldioxide in stallen nauwkeurig kan meten. De door imec ontwikkelde fotonische chips worden getest en gevalideerd bij het TDLab en vervolgens verder ontwikkeld tot een innovatieve sensor voor het monitoren van landbouwemissies. De veldevaluatie vindt plaats op de testlocatie van Wageningen University & Research.

De onderzoekers verwachten dat deze technologie op korte termijn zal bijdragen aan de beheersing van de stikstofemissies in Nederland.  ‘Wereldwijd is er ook behoefte aan deze technologie, waarmee je in de praktijk uitstoot van gassen kunt monitoren op basis van metingen in plaats van schattingen', aldus Simona Cristescu, wetenschapper met meer dan 25 jaar ervaring in lasergebaseerde gasdetectie, die de deelname van de universiteit aan het project Van Licht naar Inzicht leidt. 

Betrouwbare metingen onder alle omstandigheden

Het meten van deze milieubelastende (broeikas)gassen in veestallen is belangrijk voor het dierenwelzijn, de veiligheid van werknemers en het behoud van de natuur. Om aan normen en voorschriften te voldoen, moet je zo nauwkeurig mogelijk weten wat de emissies werkelijk zijn. Momenteel zijn emissies in veestallen nog voornamelijk gebaseerd op schattingen. De Nederlandse overheid stapt over op doelgerichte sturing, waarbij boeren doelen krijgen opgelegd en zelf bepalen hoe ze die bereiken, in plaats van dat ze specifieke emissiereductiemaatregelen voorgeschreven krijgen. 

Hoewel deze aanpak voortbouwt op het vakmanschap van boeren, zijn de huidige monitoringtechnologieën nog niet betrouwbaar genoeg voor alle veeteeltsystemen. Ze kunnen niet overal worden gebruikt voor het verlenen van vergunningen, met name in de melkveehouderij en voor emissies in de open lucht, waar de concentraties zeer laag zijn. Ook kunnen omstandigheden zoals ventilatie, vochtigheid en temperatuur ervoor zorgen dat gasemissies sterk variëren en ongelijkmatig worden verdeeld in een stal. Om tot een beter, representatiever beeld te komen, werken wetenschappers en chipdeskundigen in dit project nu aan een zeer gevoelig instrument dat zelfs in een uitdagende, variabele omgeving betrouwbare metingen levert.

Een nieuwe aanpak: open-path spectroscopie ontmoet fotonische chips

Het Trace Detection Laboratory van de Radboud Universiteit, onder leiding van Cristescu, ontwikkelt al vele jaren technologieën voor het meten van gassen. ‘Hiervoor gebruiken we laserabsorptiespectroscopie: we schijnen laserlicht door een gas en meten hoeveel er wordt geabsorbeerd om de concentratie te bepalen. Onze expertise ligt in het ontwerpen van gevoelige sensoren, het toepassen van spectroscopische technieken en het analyseren van de resulterende gegevens.’

Cristescu en haar collega's gebruiken verschillende lasers, die op verschillende manieren met moleculen interacteren. ‘We werken nauw samen met laserfabrikanten om ervoor te zorgen dat onze technologieën praktisch, betrouwbaar en effectief zijn in de praktijk’, legt ze uit. Met imec – een van de partners in het OnePlanet Research Centre, dat fotonische geïntegreerde schakelingen (Photonic Integrated Circuits of PIC's) ontwikkelt waarmee lasers rechtstreeks op de chip kunnen worden geïntegreerd, ontstaan er nieuwe mogelijkheden.

‘We willen deze lasers combineren met wat bekend staat als open path infraroodspectroscopie’, vervolgt Cristescu. ‘Dit betekent dat je niet alleen op één punt in een ruimte meet, maar langs een open pad. Je meet de gasconcentraties langs die hele lijn, waardoor je een beter beeld krijgt van de concentraties van verschillende gassen.’

Een routekaart die verder gaat dan veestallen

PIC-gebaseerde sensortechnologie kan meer dan de huidige toepassingen. Volgens Cristescu zijn de belangrijkste voordelen de mogelijkheid om meerdere gassen met één enkele chip te meten; betrouwbare metingen te leveren, zelfs onder zeer variabele omstandigheden; en kosteneffectiviteit bij productie op grotere schaal.

Voor Cristescu betekent het project meer dan alleen technische ontwikkeling. ‘Mijn rol is niet alleen om onze expertise toe te passen op deze nieuwe fotonische geïntegreerde schakelingen, maar ook om een team samen te stellen dat deze innovaties van het laboratorium naar de praktijk kan brengen en zo praktische, schaalbare oplossingen kan garanderen.’

‘Dit project is een unieke combinatie van innovatie, expertise en praktische impact’, benadrukt Cristescu. Hoewel veestallen de eerste toepassing zijn, is de technologie ontworpen met een bredere visie. ‘We dragen bij aan de ontwikkeling van multigas-sensoren die klaar zijn voor gebruik in het veld. Die worden nu eerst in stallen gebruikt, maar zijn ontworpen om voor een bredere toepassing in milieumonitoring. Onze ambitie is om innovatieve lasers en detectiesystemen buiten het laboratorium te faciliteren en zo de praktijkgegevens te genereren die nodig zijn voor een betere emissiecontrole en milieubeheer.’

Van schattingen naar metingen. Van afzonderlijke punten naar ruimtelijk inzicht. Van laboratoriuminstrumenten naar sensoren die klaar zijn voor gebruik in het veld. Het is een transformatie die begint in de stal, maar die daar niet eindigt.

Dit artikel verscheen eerder op Radboud Universiteit.