火星甲烷检测仪识别天然气泄漏

火星甲烷检测仪识别天然气泄漏

世界上最简单、最古老的生物体之一——甲烷细菌是一种单细胞原生生物，其出现于大约30亿年前，属于厌氧微生物，主要存活于动物的肠道、湿地、沼泽、未经处理的污水、海底沉积物、河湖淤泥、水稻田等与氧气隔绝的环境中，由于代谢会产生和释放甲烷而得名。

2003年，美国国家航空航天局（NASA）的科学家探测到火星大气中存在甲烷气体。考虑到甲烷细菌在严酷厌氧环境中的生存能力，科学家认为，这有可能是火星上存在甲烷细菌等生命的有力证据。但是，火星大气中的甲烷气体也可能是由于火山等地质的物理化学反应过程形成的，因此，现场确认这些甲烷气体的存在，并确定其来源，是确定火星上目前，以及曾经是否存在生命的关键一步。21世纪初，在火星科学实验室（MSL，也称为“好奇”号火星探测器）的研制过程中，NASA喷气推进实验室（JPL）的工程师开始研发一种能够检测甲烷及其同位素，以及二氧化碳和水的设备。该设备计划作为“好奇”号火星探测器搭载的火星样品分析仪（SAM）所要配备的三大气体分析仪之一，将用于火星大气分析。

该设备被称为可调谐激光光谱仪（TLS）。首先，该设备上设置有一个气体入口，探测器周围的空气，以及从探测器获得的固体样品转化而来的气体可通过该入口进入TLS。然后，在TLS内部，可通过中红外激光束对气体进行分析。特定波长的光线会与甲烷等特定的气体分子产生共振，从而使光线被仪器吸收。这样，研究人员通过探测器测定通过样品后的光线强度，即可确定气体的成分。

NASA对开发激光和可调谐激光光谱仪技术的资金支持使得该技术在地球和行星科学研究中也获得了应用。此前用于探测甲烷的室温激光器并不适用于火星探索任务，因为其仅能发射可见光或近红外光，而甲烷在可见光和近红外波段的吸收性很弱，因此，用于探测甲烷的传统的激光器为了捕捉更多的信号，仪器设备的外形尺寸都非常大。而这种设备对于空间和重量都非常珍贵的“好奇”号探测器来说是不可能被采用的。

▲ 火星上可能存在的甲烷活动示意图

作为替代方案，NASA喷气推进实验室微器件研究所自20世纪90年代早期开始研发带间级联激光器。在“好奇”号火星探测器开始研发时，该项技术已经足够成熟，可以此为基础开发一种分布式反馈激光器，可发射波长约为3.3μm的激光，非常适用于甲烷的检测。该激光器的效率较高，这也使得新开发的仪器设备具有较为紧凑的结构。这些特性使其成为TLS激光器的理想选择，并成功于2012年安装在SAM中发射升空。事实证明，该激光器制造技术也能够对地球上的能源领域产生重要的影响，是改进能源领域效能的一种重要的工具。

▲ 火星科学实验室携带了可探测甲烷的火星样品分析仪

天然气的主要成分是甲烷，甲烷不仅是微生物可能存在的标志，也是导致全球气候变暖的温室气体之一。美国环境保护局的数据显示，甲烷是世界上第二大温室气体，而地下天然气输送管道泄漏是造成甲烷排放的主要原因。工业界研究开发了多种方法来检测甲烷气体的泄漏，但传统的甲烷检测装置具有体积庞大、灵敏度低等缺点。美国太平洋燃气与电力（PG&E）公司的发言人海利·威尔逊称，不论刮风下雨，天然气管道检测人员每天都要在周围区域进行管道检测，传统的甲烷检测装置体积庞大、结构笨重，不方便携带。此外，传统的甲烷检测装置灵敏度较低，只有检测装置已经非常接近泄露源时，装置才会发出警报，工作效率和安全性较低。而如果采用灵敏度较高的仪器装置，其体积就将非常庞大，需要安装在车辆上使用。这种装置不适用于草坪、庭院，以及其它车辆无法靠近的场所的甲烷泄漏检测。

为了克服上述缺点，减少天然气泄露导致的温室气体排放，2013年，国际管道研究协会（PRCI）和喷气推进实验室联合发起了一项有偿太空法案协议，致力于将带间级联半导体激光器安装在手持甲烷检测设备中。据悉，PRCI是一家由能源企业联合发起成立的研究组织。PG&E公司、南加利福尼亚天然气公司和雪佛龙公司等企业都参与了直接投资。

2013～2014年，喷气推进实验室的科学家以TLS为模板，成功研制出一款小型光谱仪。该光谱仪主要在地球上使用，无需使用为太空应用专门开发的零部件，因此，其设计更为灵活，尺寸也更小。该设备由PG&E公司进行了测试，并进行了多次改进，进一步提高了设备的使用舒适性和实用性。2014年末，喷气推进实验室完成了手持甲烷检测仪的设计。目前，该设备已完全具备了商业化条件。

该手持甲烷检测仪获得了现场检测人员的关注和赞誉。其类似于简单的金属探测器，轻巧方便，非常便于手持使用。而传统的甲烷检测仪短小、笨重，需要置于特定的角度才能工作。此外，该手持甲烷检测仪的灵敏度显著优于此前的手持仪器。采用NASA技术的新型检测仪的检测灵敏度达到10-8，比传统手持检测仪的灵敏度（10-6）提高了100倍，因而更易于发现微小的甲烷泄漏源。

此外，在该手持甲烷检测仪原型开发阶段开发的一项关键创新技术——以语音方式读取浓度值，也进一步提高了甲烷检测的效率。与传统的警报提示声相比，该设计更容易被使用者接受，而且更适用于对声音的音调和音量大小不太敏感的人员。

对于PG&E公司而言，该项技术的开发与应用取得了成功。采用这种新型的甲烷检测仪，工作人员能够更简便、快速地查找到泄漏源，提高了安全性，减少了温室气体排放。此外，支持能源领域的创新是PG&E公司的重要目标之一。该公司也为可以使用用于火星探索的技术来完成甲烷泄漏检测感到非常高兴。（唐甜）

Mars Methane Detector Identifies Harmful Gas Leaks

▲ 工作人员测试新型手持甲烷检测仪