Isotoopit ympäristömonitoroinnin ytimessä

​MIKESissä kehitetään erittäin herkkiä optiseen spektroskopiaan perustuvia laitteita kaasumaisten molekyylien kuten metaanin, hiilidioksidin ja typpioksiduulin reaaliaikaiseen isotooppiselektiiviseen jäljitettävään mittaukseen kenttäolosuhteissa. Mittauksissa hyödynnetään sekä stabiileja että radioisotooppeja. Mittausmenetelminä ovat ontelovaimennusspektroskopia (cavity ring-down spectroscopy) ja suora absorptio moniheijastuskyvetissä (TDLAS, tuneable diode laser abroption spectroscopy). Valolähteinä mittauksissa käytetään mm. kvanttikaskadilasereita ja uudenlaisia kompakteja keski-infrapuna-alueen diodilasereita, (ICL, intraband cascade laser) joiden taajuus voidaan lukita optisen taajuuskamman avulla atomikelloon. Sovellutusalueet ovat esim. kasvihuonekaasujen päästölähteiden määritys, ydinjätteiden loppusijoituksen turvallisuuden monitorointi, hiilidioksidin talteenoton ja varastoinnin vuotojen havaitsemiseen, polttoaineiden alkuperän (bioperäinen vai fossiilinen) määritys sekä maaperän mikrobiologisen aktiviteetin määrittäminen.

Kasvihuonekaasujen päästölähteiden määritys

Craig Richmond Guillaume Genoud Albert ManninenHiilidioksidi, metaani ja typpioksiduuli ovat tärkeimpiä kasvihuonekaasuja yhdessä vesihöyryn kanssa. Hiilidioksidin oletettu osuus kasvihuoneilmiön voimistumisessa on noin 60 %, metaanin 20 %, ja typpioksiduulin 6 %. Hiilidioksidipäästöjä syntyy erityisesti fossiilisten polttoaineiden käytöstä energiantuotannossa ja liikenteessä. Metaanipäästöjä tulee maatalouden sivutuotteena, kaatopaikoilla sekä fossiilisten polttoaineiden tuotannon ja jakelun yhteydessä. Typpioksiduulipäästöjä puolestaan syntyy etenkin maanviljelyssä, typpilannoitteiden valmistuksessa ja energiantuotannossa. Kasvihuonekaasujen päästölähteet ja nielut on tunnettava, jotta voidaan tunnistaa näiden vaikutukset ympäristöön sekä laatia järkeviä päästöjen hallitsemissuunnitelmia. Isotoppimittaukset ovat tärkeä työkalu eri päästölähteiden identifioimiseksi ja erottamiseksi toisistaan. Tarkat, luotettavat ja reaaliaikaiset isotooppijakaumatiedot yhdistettynä kulkeuma-analyysiin auttavat päästöjen tunnistamisessa maantieteellisen paikan, ajan ja päästölähteen tyypin mukaan.

MIKESissä kehitetään erittäin herkkiä keski-infrapuna-alueen spektroskopiaan perustuvia laitteita hiilidioksidin stabiilien isotooppien 12CO2 (98,4 %), 13CO2 (1,1 %) ja 18O-CO2 (0,4 %), metaanin kolmen stabiilin isotoopin 12CH4 (98,8 %), 13CH4 (1,1 %) ja CH3D (~0,06 %) sekä typpioksiduulin isotooppien N2O (99,0 %), 15N-N2O (0,73 %) ja 18ON2O (0,20 %) reaaliaikaiseen mittaamiseen ympäröivässä ilmassa.

Hiilidioksidin ja energiantuotannossa käytettävään metaanin mittauksiin kehitetään menetelmää, joka perustuu TDLAS-tekniikkaan. Moniheijastuskyvetin ansiosta mittausten vaatima herkkyys saavutetaan lyhyillä mittausajoilla ja yksinkertaisella laitteistolla. Ilmakehän metaanin ja myöhemmin typpioksiduulin mittauksiin kehitetään ontelovaimenemisspektroskopiaa. Molemmat menetelmät mahdollistavat kompaktien kenttäkelpoisten laitteiden rakentamisen.

Radiohiilen havaitseminen keski-infrapunaspektroskopialla

Ydinjätteen loppusijoituspaikan jatkuvalla monitoroinnilla havaitaan vuodot ja saadaan ehkäistyä lähialueen ihmisille aiheutuvat riskit. Ydinjätteistä vapautuvien kaasumaisten molekyylien isotooppiselektiivinen mittaus on yksi lupaava keino vuotojen havainnointiin. Kaikessa modernissa hiilessä esiintyy hiili-14-isotooppia (14C, radiohiili) noin 1,2 ppt:n (10-12) pitoisuutena. Ydinjätteen loppusijoituspaikalla kohonnut 14C-pitoisuus kertoo siten ydinjätteestä mahdollisesti vapautuvan radioaktiivisia kaasuja. Spektrometrin pitää kyetä erottelemaan huomattavan heikko spektriviiva biljoona kertaa suuremmasta taustasta. Ensiksi on löydettävä sellainen 14C-isotoopin keski-infrapuna-alueen absorptioviiva, jota hiilen muiden isotooppien absorptioviivat peittävät mahdollisimman vähän ja toiseksi menetelmä, jolla laserin taajuus saadaan tarkasti pysymään mitattavassa viivassa niin pitkään, että tarvittava herkkyys saavutetaan. Tämä onnistuu ontelovaimennusspektroskopia – kvanttikaskadilaser – optinen taajuuskampa – atomikello -yhdistelmällä. Lopullinen tavoite on rakentaa niin kompakti laitteisto, että sitä voidaan käyttää reaaliaikaisiin mittauksiin kenttäolosuhteissa.

Lisätiedot: tutkija Albert Manninen, etunimi.sukunimi@vtt.fi