Perfuradores de petróleo e ambientalistas concordam sobre espectrômetro pequeno e sensível

Pequena ferramenta para estudar a qualidade da água obtém resultados em qualquer lugar

Assistência técnica e financiamento STTR do Jet Propulsion Laboratory ajudaram a Optoknowledge Systems Inc. (OKSI) a desenvolver um espectrômetro compacto para detecção de gases traço e isótopos, mesmo debaixo d’água, conhecido como espectrômetro de absorção capilar. Agora, a empresa afiliada da OKSI, Guiding Photonics de Torrance, Califórnia, oferece o dispositivo para uso pela indústria de petróleo e gás, conservacionistas ambientais e outros.

A meros 93 milhões de milhas do Sol, a Terra realmente não deveria ter tanta água quanto tem. Ninguém sabe como tudo chegou aqui. Max Coleman, do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA no sul da Califórnia, subscreve a teoria de que uma quantidade significativa de água chegou em cometas que bombardearam o planeta há cerca de 4 bilhões de anos. Para procurar evidências, ele quer examinar a água de tantos locais ao redor do sistema solar quanto possível.

Especificamente, ele precisaria descobrir as proporções de diferentes isótopos dentro dessas amostras de água. Essas são versões ligeiramente diferentes da molécula de água, e as proporções em que estão presentes podem dizer muito aos pesquisadores sobre a história de uma amostra de água.

Ex-pesquisador geoquímico da indústria de petróleo e gás, Coleman também sabia que as proporções de isótopos conteriam informações valiosas para operações de perfuração offshore, pesquisadores ambientais e outros aqui na Terra.

Em 2012, a NASA enviou um espectrômetro de laser ajustável para analisar isótopos em Marte a bordo do rover Curiosity. Lá, o instrumento analisou isótopos de hidrogênio, carbono e oxigênio na atmosfera e em gases liberados de amostras que o rover adquiriu.

Agora, uma versão comercial menor e mais simples está disponível para analisar ambientes da Terra.

Diminua o volume

Isótopos são átomos do mesmo elemento que têm números diferentes de nêutrons, dando a eles pesos diferentes, embora sejam quimicamente idênticos. Esses átomos podem se combinar com outros para formar moléculas que também são idênticas, exceto pelo peso. A proporção de moléculas pesadas para leves em uma amostra depende dos processos pelos quais ela passou no passado, da evaporação e condensação ao metabolismo biológico. Mas contar as moléculas em uma amostra e identificar suas proporções não é uma tarefa fácil.

Embora inovador, o instrumento da Curiosity tem que encher uma célula de amostra de gás com quase um quarto de galão de volume para obter uma leitura precisa, o que o torna volumoso e, para certas aplicações, inútil. Agora, após anos de trabalho com o JPL, bem como com o Departamento de Energia e a Administração Oceânica e Atmosférica Nacional (NOAA), uma empresa chamada Guiding Photonics LLC de Torrance, Califórnia, produziu um espectrômetro a laser que tem precisão semelhante, mas requer um volume de amostra de menos de um quarto de colher de chá.

A Guiding Photonics, que produz fibras ópticas e sensores comerciais, recentemente se separou da OKSI, anteriormente conhecida como OptoKnowledge Systems Inc., uma empresa de pesquisa e desenvolvimento com uma longa história de trabalho com a NASA. A partir de 2014, a OKSI recebeu dois contratos de Small Business Technology Transfer (STTR) por meio do JPL para desenvolver um espectrômetro a laser para detecção de gases traço e isótopos.

Assim como a versão no Curiosity, o espectrômetro direciona a luz laser através de uma amostra de gás. As moléculas naquela amostra vibram e giram em frequências diferentes dependendo de quais isótopos de qual elemento estão presentes, fazendo com que absorvam diferentes comprimentos de onda de luz. Ao observar o quanto certos comprimentos de onda são absorvidos, o dispositivo pode identificar moléculas e seus isótopos.

Enquanto a versão em Marte faz a luz do laser ricochetear para frente e para trás mais de 80 vezes através de uma célula cilíndrica para maximizar a absorção, o protótipo OKSI construído com financiamento STTR enviou o laser através de uma fibra óptica longa e fina com um núcleo oco e revestido reflexivamente. O design, que a empresa chama de espectrômetro de absorção capilar, requer apenas uma pequena amostra de gás para preencher a fibra, enquanto seu comprimento ainda fornece muitas oportunidades para que os fótons do laser sejam absorvidos pelas moléculas da amostra. O cabo de fibra também pode ser enrolado para produzir um dispositivo compacto.

Uma equipe em um laboratório do Departamento de Energia apresentou o conceito pela primeira vez, e o dispositivo que a OKSI construiu com financiamento do NASA STTR provou que ele funcionava. Além do financiamento, a empresa também usou pesquisas anteriores da NASA para construir seu primeiro espectrômetro de absorção capilar. “Eles fizeram muito trabalho pioneiro — coisas simples como, qual parte da impressão digital molecular do metano deveríamos atingir”, disse Jason Kriesel, cientista-chefe da OKSI e presidente da Guiding Photonics. “Quando eles montaram esse sistema para o rover Curiosity, eles fizeram muita pesquisa básica que podemos desenvolver.”

Coleman se envolveu no projeto de 2014 quando percebeu que era “realmente a minha praia”, ele disse, e quando esse financiamento acabou, ele e a OKSI colaboraram em um projeto com a NOAA. Os pesquisadores de lá estavam interessados ​​em usar tal dispositivo para testar metano de fontes de águas profundas, e um Acordo do Ato Espacial permitiu que o JPL ajudasse a OKSI a construir seu protótipo anterior sob subsídios da NOAA.

Usar o espectrômetro debaixo d’água exigia que gases fossem extraídos de uma amostra de água. Isso sempre foi feito com uma membrana, o que desvia as contagens de isótopos e requer um dispositivo volumoso, disse Kriesel. Em vez disso, Coleman surgiu com a nova solução de incorporar uma pequena câmara despressurizada na entrada da célula de amostra de fibra óptica. A baixa pressão faz com que os gases borbulhem para fora da água, tornando-os disponíveis para teste.

“Essa abordagem de desgaseificação não era usada antes porque seria difícil encher uma célula normal com a pequena quantidade de gás que você obtém dela”, disse Kriesel. “Mas, como você tem essa pequena célula de fibra oca, você pode se safar com esse novo método.”

A Guiding Photonics lançou sua célula de gás de fibra óptica Omega para espectroscopia a laser em 2021, disponível com ou sem sensores e câmara de desgaseificação.

Descoberta do petróleo, preservação do meio ambiente

A maior parte do interesse comercial inicial na tecnologia veio da indústria de petróleo e gás offshore, onde pelo menos um grande fornecedor já comprou vários sistemas e outros estão demonstrando interesse, disse Kriesel. Ele observou que os perfuradores de petróleo e gás offshore têm alguns motivos para olhar, por exemplo, para os isótopos de metano. O metano pode indicar um depósito subterrâneo de petróleo, ou pode estar vindo de uma carcaça de baleia em decomposição — os isótopos podem revelar a diferença. Caracterizar o conteúdo de metano da água em uma área antes da perfuração também informa as declarações de impacto ambiental e permite testes posteriores durante as operações para revelar quaisquer vazamentos, ajudando na manutenção das instalações e minimizando os danos ambientais.

Normalmente, disse Kriesel, o perfurador teria que enviar as amostras para um laboratório e aguardar os resultados, que direcionariam a próxima rodada de coleta de amostras. Em vez disso, obter resultados imediatos permite que o usuário caracterize uma área inteira em uma tentativa. “Essa tecnologia dá a eles a capacidade de medir no campo e tomar decisões em tempo real, em termos do que eles querem estudar mais a fundo, o que pode economizar muito dinheiro”, disse ele.

Outros projetos piloto usaram o novo espectrômetro de absorção capilar para procurar metano em pântanos costeiros – o que ajudaria os pesquisadores do clima a entender fontes e sumidouros de gases de efeito estufa – e para monitorar emissões de queimadas florestais prescritas usando um drone. Ser pequeno ajuda o dispositivo a se encaixar em um drone, onde ele pode medir as proporções de dióxido de carbono para monóxido de carbono, transmitindo informações valiosas sobre o incêndio abaixo.

O OKSI está agora trabalhando sob o financiamento SBIR do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, para desenvolver um instrumento que poderia dar suporte à busca de Coleman pelas origens da água na Terra. Kriesel disse que espera que o projeto – adaptando a tecnologia para examinar isótopos de água na Lua – também resulte em um analisador comercial de isótopos de água da Guiding Photonics.

“Para meu interesse em água”, disse Coleman, “isso poderia se tornar um instrumento muito pequeno que poderia aproveitar outras missões da NASA para ir aqui, ali e em todos os lugares, estudando a água ao redor do sistema solar”.