Optical Sensor Technology can reduce Hydrogen safety risks
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La technologie de capteur optique peut réduire les risques de sécurité liés à l'hydrogène
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Dans la recherche d'une énergie propre et renouvelable, l'hydrogène joue un rôle important. Mais un défi majeur face à cette transition est que le gaz est explosif lorsqu'il est mélangé à l'air. Pour cette raison, il est crucial de pouvoir détecter les fuites d'hydrogène le plus tôt possible.
Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de technologie Chalmers, de la Vrije Universiteit Amsterdam et de l'Université de technologie d'Eindhoven ont mis au point un capteur optique capable de détecter des niveaux record d'hydrogène.
L'hydrogène est considéré comme un élément important de la décarbonation du secteur des transports lourds et dans le monde entier, des trains, des camions et des avions à hydrogène sont développés et déployés. Même dans l'industrie lourde, l'hydrogène est considéré comme très important, par exemple pour la production d'acier sans énergie fossile.
Les risques de dysfonctionnement ou d'utilisation d'hydrogène sont bien connus. Seulement quatre pour cent d'hydrogène sont nécessaires dans l'air pour la formation d'un mélange explosif (knallgas) qui peut s'enflammer à la moindre étincelle. Par conséquent, il est important que des capteurs ultra-sensibles soient en place pour surveiller les fuites et alerter aux niveaux critiques.
La sécurité de la plus haute importance dans l'utilisation de l'hydrogène
En collaboration avec des collègues néerlandais, des chercheurs du Département de physique de l'Université de technologie de Chalmers, en Suède, ont mis au point un capteur optique d'hydrogène qui détecte des niveaux record d'hydrogène. Il rejoint ainsi les capteurs les plus sensibles au monde. Les nouveaux résultats de la recherche sont présentés dans un article de Nature Communications.
« La sécurité est de la plus haute importance dans toutes les utilisations et tous les stockages d'hydrogène. Si les fuites sont détectées tôt, elles peuvent être réparées afin que vous n'ayez pas du tout à mettre l'usine ou le véhicule hors service », explique le professeur Chalmers Christoph Langhammer, l'un des principaux auteurs de l'article scientifique.
La technologie de l'IA a ouvert la voie
Le capteur optique d'hydrogène se compose de nombreuses nanoparticules métalliques qui fonctionnent ensemble pour détecter l'hydrogène dans leur environnement. L'approche de conception du nouveau capteur diffère de ce qui a été fait précédemment. Au lieu de produire un grand nombre d'échantillons et de les tester individuellement pour voir lequel fonctionne le mieux, les chercheurs ont utilisé une technologie d'IA avancée pour créer l'interaction optimale entre les particules en fonction de leur distance les unes par rapport aux autres, de leur diamètre et de leur épaisseur. Le résultat est un capteur qui détecte les changements de concentration d'hydrogène aussi petits que quelques centaines de millièmes de pour cent.
Le secret de la faible limite de détection du nouveau capteur est la combinaison de la disposition des particules en un motif régulier sur une surface et de leurs dimensions ajustées. Cela s'est avéré plus favorable pour la sensibilité du capteur que l'arrangement aléatoire des particules utilisé dans les capteurs précédents du même type.
Le groupe de recherche de Christoph Langhammer a déjà pu présenter le capteur d'hydrogène le plus rapide au monde. Pour lui, il est clair que de nombreux types de capteurs différents sont nécessaires et qu'ils doivent être optimisés pour des applications spécifiques.
« La technologie autour de l'hydrogène a fait un pas de géant et les capteurs d'aujourd'hui doivent donc être plus précis et adaptés à différentes fins. Parfois, un capteur très rapide est nécessaire, parfois il en faut un qui fonctionne dans un environnement chimique agressif ou à basse température. Une seule conception de capteur ne peut pas répondre à tous les besoins », déclare Christoph Langhammer, qui est également l'un des fondateurs d'un nouveau centre de compétences : TechForH2.
La technologie de capteur optique peut réduire les risques de sécurité liés à l'hydrogène
L'industrie et le milieu universitaire dans une nouvelle collaboration sur l'hydrogène
Le nouveau centre dirigé par Chalmers rassemble à la fois les universités et l'industrie pour développer une nouvelle technologie de l'hydrogène en mettant l'accent sur la décarbonisation des systèmes de transport lourd. TechForH2 est dirigé par le professeur Chalmers Tomas Grönstedt du Département de mécanique et des sciences maritimes.
« Lorsque la communauté de la recherche et l'industrie fusionnent, cela peut nous faire passer au niveau supérieur, de sorte que ce que nous produisons peut être appliqué et répondre aux besoins et aux défis qui existent dans l'industrie. Cela s'applique au développement de capteurs, ainsi qu'aux recherches liées à la propulsion de véhicules lourds ou d'avions utilisant de l'hydrogène gazeux », explique Tomas Grönstedt, qui mentionne qu'un avion électrique d'une autonomie de 500 kilomètres pourrait augmenter son autonomie à 3000 kilomètres s'il était alimenté à l'hydrogène.
Comment fonctionne le capteur optique d'hydrogène
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Le capteur que les chercheurs ont mis au point est basé sur un phénomène optique, les plasmons, qui se produisent lorsque des nanoparticules métalliques captent la lumière et donnent aux particules une couleur distincte. Si les nanoparticules sont constituées de palladium ou d'un alliage de palladium, leur couleur change lorsque la quantité d'hydrogène dans l'environnement varie, et le capteur peut déclencher une alarme si les niveaux deviennent critiques.
Pour trouver la combinaison ultime de la disposition à la surface et de la géométrie des particules dans le capteur, les chercheurs ont utilisé un algorithme d'intelligence artificielle appelé optimisation des essaims de particules pour obtenir la sensibilité la plus élevée possible à l'exposition à l'hydrogène. Placer les particules dans un motif régulier très précisément défini s'est avéré être la solution.
Basé sur la conception de l'IA, le capteur d'hydrogène optique optimisé a été fabriqué et vérifié pour être le premier du genre à détecter optiquement l'hydrogène dans la plage des « parties par milliard » (250 ppb).
En savoir plus sur la recherche
L'article scientifique Inverse a conçu une métasurface plasmonique avec des parties par milliard de détection optique d'hydrogène a été publié dans Nature Communications et est écrit par Ferry Anggoro Ardy Nugroho, Ping Bai, Iwan Darmadi, Gabriel W. Castellanos, Joachim Fritzsche, Christoph Langhammer, Jaime Gómez Rivas et André Baldy. Les chercheurs sont actifs à la Chalmers University of Technology, à la Eindhoven University of Technology et à la Vrije Universiteit Amsterdam. Les chercheurs de Vrije et d'Eindhoven sont à l'origine de la conception assistée par l'IA de la surface du capteur et de la caractérisation de ses propriétés optiques, tandis que les chercheurs de Chalmers ont fabriqué la surface du capteur et effectué les mesures de détection d'hydrogène.
L'applicabilité pratique du nouveau capteur va maintenant être étudiée plus en détail au sein du nouveau centre de compétences TechForH2, qui est coordonné par Chalmers.
La recherche a été en partie financée par la Fondation suédoise pour la recherche stratégique et l'Agence suédoise de l'énergie. Certaines parties du travail ont eu lieu dans la salle blanche de Chalmers et au Chalmers Material Analysis Laboratory (CMAL) sous l'égide de l'initiative Nano de Chalmers Excellence.
En savoir plus sur le nouveau centre de compétences TechForH2
TechForH2 est un centre de compétence pour la technologie de l'hydrogène qui est coordonné et dirigé par Chalmers, avec RISE Research Institutes of Sweden comme partenaire académique. Plusieurs partenaires industriels sont impliqués dans TechForH2 : Volvo, Scania, PowerCell, Johnson Matthey, Oxeon, GKN Aerospace, Insplorion, Siemens Energy et Stena.
TechForH2 se concentrera, entre autres, sur le stockage d'énergie intégré au véhicule, les besoins de l'industrie manufacturière, les capteurs, les piles à combustible et les technologies/instruments et innovations dans la future société de l'hydrogène.
Le centre de compétence a reçu un financement de 54 millions de SEK de l'Agence suédoise de l'énergie et a une offre totale de 161 millions de SEK pour les cinq premières années, avec la possibilité d'une prolongation de cinq ans.
Avec le soutien de neuf nouveaux doctorants et de huit chercheurs postdoctoraux, l'espoir est désormais de pouvoir contribuer à la construction des connaissances et à l'éducation dans le domaine, et d'accélérer le rythme d'introduction de la nouvelle technologie de l'hydrogène pour contribuer ainsi à la transition vers une société sans fossiles.
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02/12/22-English
Optical Sensor Technology can reduce Hydrogen safety risks
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In the pursuit of clean and renewable energy, hydrogen plays an important role. But a major challenge facing this transition is that the gas is explosive when mixed with air. For this reason, it is crucial to be able to detect hydrogen leaks as early as possible.
Now researchers at Chalmers University of Technology, Vrije Universiteit Amsterdam and Eindhoven University of Technology, have developed an optical sensor that can detect record low levels of hydrogen.
Hydrogen is seen as an important part of the decarbonisation of the heavy transport sector and around the world hydrogen-powered trains, trucks and airplanes are being developed and deployed. Even in heavy industry, hydrogen is regarded as very important, for example for the production of fossil-free steel.
The risks of storing or using hydrogen are well known. Only four percent hydrogen is required in air for the formation of an explosive mixture (knallgas) that can ignite at the slightest spark. Therefore, it is important that ultra-sensitive sensors are in place to monitor leaks and alarm at critical levels.
Safety of utmost importance in hydrogen use
Together with Dutch colleagues, researchers at the Department of Physics at Chalmers University of Technology, Sweden, have now developed an optical hydrogen sensor that detects record-low levels of hydrogen. It thus joins the most sensitive sensors in the world. The new research results are presented in an article in Nature Communications.
“Safety is of the utmost importance in all use and storage of hydrogen. If leaks are detected early, they can be fixed so that you hopefully do not have to take the plant or vehicle out of service at all,” says Chalmers Professor Christoph Langhammer, one of the main authors of the scientific article.
AI technology led the way
The optical hydrogen sensor consists of many metal nanoparticles that work together to detect hydrogen in their surroundings. The approach to how the new sensor was designed differs from what has been done previously. Instead of producing a large number of samples and testing them individually to see which one works best, the researchers have used advanced AI technology to create the optimal interaction between the particles based on their distance to each other, diameter and thickness. The result is a sensor that detects changes in hydrogen concentration that are as small as a few hundred thousandths of a percent.
The secret behind the new sensor’s low detection limit is the combination of the arrangement of the particles in a regular pattern on a surface and their fine-tuned dimensions. This turned out to be more favourable for the sensitivity of the sensor than the random particle arrangement used in previous sensors of the same type.
Christoph Langhammer’s research group has previously been able to present the world’s fastest hydrogen sensor. For him, it is clear that many different types of sensors are needed and that they have to be optimised for specific applications.
“The technology around hydrogen has taken a giant leap and therefore today’s sensors need to be more accurate and tailored for different purposes. Sometimes a very fast sensor is needed, sometimes one is needed that works in a harsh chemical environment or at low temperatures. A single sensor design cannot meet all needs”, says Christoph Langhammer, who is also one of the founders of a new competence centre: TechForH2.
Optical Sensor Technology can reduce Hydrogen safety risks
Industry and academia in new collaboration on hydrogen
The new Chalmers-led centre brings together both academia and industry to develop new hydrogen technology with focus on the decarbonisation of heavy transport systems. TechForH2 is led by Chalmers Professor Tomas Grönstedt at the Department of Mechanics and Maritime Sciences.
“When the research community and industry merge, it can take us to the next level, such that what we produce can be applied and meet the needs and challenges that exist in the industry. This applies to sensor development, as well as research related to the propulsion of heavy vehicles or aeroplanes using hydrogen gas,” says Tomas Grönstedt, who mentions that an electric aircraft with a range of 500 kilometres could increase its range to 3000 kilometres if it was powered by hydrogen.
How the optical hydrogen sensor works
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The sensor that the researchers have developed is based on an optical phenomenon, plasmons, which occur when metal nanoparticles capture light and give the particles a distinct colour. If the nanoparticles are made of palladium or a palladium alloy, their colour changes when the amount of hydrogen in the surroundings varies, and the sensor can trigger an alarm if the levels become critical.
To find the ultimate combination of the arrangement on the surface and geometry of the particles in the sensor, the researchers used an artificial intelligence algorithm called particle swarm optimisation to achieve the highest possible sensitivity to the exposure to hydrogen. Placing the particles in a very precisely defined regular pattern turned out to be the answer.
Based on the AI-design, the optimised optical hydrogen sensor was fabricated and verified to be the first of its kind to optically detect hydrogen in the “parts per billion” range (250 ppb).
More about the research
The scientific paper Inverse designed plasmonic metasurface with parts per billion optical hydrogen detection has been published in Nature Communications and is written by Ferry Anggoro Ardy Nugroho, Ping Bai, Iwan Darmadi, Gabriel W. Castellanos, Joachim Fritzsche, Christoph Langhammer, Jaime Gómez Rivas and Andrea Baldi. The researchers are active at Chalmers University of Technology, Eindhoven University of Technology and Vrije Universiteit Amsterdam. The researchers at Vrije and Eindhoven are behind the AI-aided design of the sensor surface and the characterisation of its optical properties, while the researchers at Chalmers have manufactured the sensor surface and performed the hydrogen sensing measurements.
The new sensor’s practical applicability will now be further investigated within the newly started competence centre TechForH2, which is coordinated by Chalmers.
The research has been partly funded by the Swedish Foundation for Strategic Research and the Swedish Energy Agency. Parts of the work have taken place in the Cleanroom at Chalmers and at Chalmers Material Analysis Laboratory (CMAL) under the umbrella of Chalmers Excellence’s initiative Nano.
More about the new TechForH2 Competence Centre
TechForH2 is a competence centre for hydrogen technology that is coordinated and led by Chalmers, with RISE Research Institutes of Sweden as an academic partner. A number of industrial partners are involved in TechForH2: Volvo, Scania, PowerCell, Johnson Matthey, Oxeon, GKN Aerospace, Insplorion, Siemens Energy and Stena.
TechForH2 will, among other things, focus on vehicle-integrated energy storage, the needs of the manufacturing industry, sensors, fuel cells and technology /instruments and innovations in the future hydrogen society.
The competence centre has received SEK 54 million in funding from the Swedish Energy Agency and has a total bid of SEK 161 million for the first five years, with the possibility of a five-year extension.
With the support of nine new doctoral students and eight postdoctoral researchers, the hope is now to be able to contribute to knowledge building and education in the field, and to increase the pace of introduction of new hydrogen technology to thereby contribute to the transition to a fossil-free society.
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02/12/22-NL
Optische sensortechnologie kan de veiligheidsrisico's van waterstof verminderen
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In het streven naar schone en hernieuwbare energie speelt waterstof een belangrijke rol. Maar een grote uitdaging voor deze overgang is dat het gas explosief is wanneer het wordt gemengd met lucht. Daarom is het cruciaal om waterstoflekken zo vroeg mogelijk te kunnen detecteren.
Nu hebben onderzoekers van de Technische Universiteit Chalmers, de Vrije Universiteit Amsterdam en de Technische Universiteit Eindhoven een optische sensor ontwikkeld die record-lage niveaus van waterstof kan detecteren.
Waterstof wordt gezien als een belangrijk onderdeel van het koolstofarm maken van de zware transportsector en over de hele wereld worden treinen, vrachtwagens en vliegtuigen op waterstof ontwikkeld en ingezet. Ook in de zware industrie wordt waterstof als zeer belangrijk beschouwd, bijvoorbeeld voor de productie van fossielvrij staal.
De risico's van opslag of gebruik van waterstof zijn bekend. Er is slechts vier procent waterstof in lucht nodig voor de vorming van een explosief mengsel (knallgas) dat bij de minste vonk kan ontbranden. Daarom is het belangrijk dat er ultragevoelige sensoren aanwezig zijn om lekken en alarmen op kritieke niveaus te bewaken.
Veiligheid van het grootste belang bij het gebruik van waterstof
Samen met Nederlandse collega's hebben onderzoekers van de afdeling Natuurkunde van Chalmers University of Technology, Zweden, nu een optische waterstofsensor ontwikkeld die record-lage niveaus van waterstof detecteert. Het sluit zich daarmee aan bij de meest gevoelige sensoren ter wereld. De nieuwe onderzoeksresultaten worden gepresenteerd in een artikel in Nature Communications.
“Veiligheid is van het grootste belang bij alle gebruik en opslag van waterstof. Als lekken in een vroeg stadium worden ontdekt, kunnen ze worden verholpen, zodat je de installatie of het voertuig hopelijk helemaal niet buiten dienst hoeft te stellen”, zegt Chalmers-professor Christoph Langhammer, een van de hoofdauteurs van het wetenschappelijke artikel.
AI-technologie liep voorop
De optische waterstofsensor bestaat uit vele metalen nanodeeltjes die samenwerken om waterstof in hun omgeving te detecteren. De benadering van hoe de nieuwe sensor is ontworpen, verschilt van wat eerder is gedaan. In plaats van een groot aantal monsters te produceren en ze afzonderlijk te testen om te zien welke het beste werkt, hebben de onderzoekers geavanceerde AI-technologie gebruikt om de optimale interactie tussen de deeltjes te creëren op basis van hun afstand tot elkaar, diameter en dikte. Het resultaat is een sensor die veranderingen in de waterstofconcentratie detecteert die zo klein zijn als een paar honderdduizendste van een procent.
Het geheim achter de lage detectielimiet van de nieuwe sensor is de combinatie van de opstelling van de deeltjes in een regelmatig patroon op een oppervlak en hun fijn afgestemde afmetingen. Dit bleek gunstiger voor de gevoeligheid van de sensor dan de willekeurige opstelling van de deeltjes die bij eerdere sensoren van hetzelfde type werd gebruikt.
De onderzoeksgroep van Christoph Langhammer heeft eerder de snelste waterstofsensor ter wereld kunnen presenteren. Voor hem is het duidelijk dat er veel verschillende soorten sensoren nodig zijn en dat ze geoptimaliseerd moeten worden voor specifieke toepassingen.
“De technologie rond waterstof heeft een enorme sprong voorwaarts gemaakt en daarom moeten de sensoren van vandaag nauwkeuriger zijn en op maat gemaakt voor verschillende doeleinden. Soms is een zeer snelle sensor nodig, soms is er een nodig die werkt in een ruwe chemische omgeving of bij lage temperaturen. Een enkel sensorontwerp kan niet aan alle behoeften voldoen”, zegt Christoph Langhammer, die ook een van de oprichters is van een nieuw competentiecentrum: TechForH2.
Optische sensortechnologie kan de veiligheidsrisico's van waterstof verminderen
Industrie en wetenschap in nieuwe samenwerking op het gebied van waterstof
Het nieuwe door Chalmers geleide centrum brengt zowel de academische wereld als de industrie samen om nieuwe waterstoftechnologie te ontwikkelen met de nadruk op het koolstofvrij maken van zware transportsystemen. TechForH2 wordt geleid door Chalmers Professor Tomas Grönstedt van de afdeling Mechanica en Maritieme Wetenschappen.
“Wanneer de onderzoeksgemeenschap en de industrie samensmelten, kan dit ons naar het volgende niveau brengen, zodat wat we produceren kan worden toegepast en tegemoet kan komen aan de behoeften en uitdagingen die in de industrie bestaan. Dat geldt voor sensorontwikkeling, maar ook voor onderzoek naar de voortstuwing van zware voertuigen of vliegtuigen met behulp van waterstofgas”, zegt Tomas Grönstedt, die vermeldt dat een elektrisch vliegtuig met een bereik van 500 kilometer zijn bereik zou kunnen vergroten tot 3000 kilometer als het aangedreven door waterstof.
Hoe de optische waterstofsensor werkt
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De sensor die de onderzoekers hebben ontwikkeld, is gebaseerd op een optisch fenomeen, plasmonen, dat ontstaat wanneer metalen nanodeeltjes licht opvangen en de deeltjes een aparte kleur geven. Als de nanodeeltjes zijn gemaakt van palladium of een palladiumlegering, verandert hun kleur wanneer de hoeveelheid waterstof in de omgeving varieert en kan de sensor een alarm activeren als de niveaus kritiek worden.
Om de ultieme combinatie van de opstelling op het oppervlak en de geometrie van de deeltjes in de sensor te vinden, gebruikten de onderzoekers een algoritme van kunstmatige intelligentie, deeltjeszwermoptimalisatie genaamd, om de hoogst mogelijke gevoeligheid voor de blootstelling aan waterstof te bereiken. Het plaatsen van de deeltjes in een heel precies gedefinieerd regelmatig patroon bleek de oplossing.
Op basis van het AI-ontwerp werd de geoptimaliseerde optische waterstofsensor gefabriceerd en geverifieerd als de eerste in zijn soort die optisch waterstof detecteert in het "parts per million"-bereik (250 ppb).
Meer over het onderzoek
Het wetenschappelijke artikel Inverse ontworpen plasmonische metasurface met delen per miljard optische waterstofdetectie is gepubliceerd in Nature Communications en is geschreven door Ferry Anggoro Ardy Nugroho, Ping Bai, Iwan Darmadi, Gabriel W. Castellanos, Joachim Fritzsche, Christoph Langhammer, Jaime Gómez Rivas en Andrea Baldi. De onderzoekers zijn actief aan de Chalmers University of Technology, de Technische Universiteit Eindhoven en de Vrije Universiteit Amsterdam. De onderzoekers van Vrije en Eindhoven staan achter het AI-ondersteunde ontwerp van het sensoroppervlak en de karakterisering van de optische eigenschappen, terwijl de onderzoekers van Chalmers het sensoroppervlak hebben vervaardigd en de waterstofwaarnemingsmetingen hebben uitgevoerd.
De praktische toepasbaarheid van de nieuwe sensor wordt nu verder onderzocht binnen het nieuw gestarte competentiecentrum TechForH2, dat wordt gecoördineerd door Chalmers.
Het onderzoek is deels gefinancierd door de Zweedse Stichting voor Strategisch Onderzoek en het Zweedse Energieagentschap. Delen van het werk hebben plaatsgevonden in de Cleanroom bij Chalmers en bij Chalmers Material Analysis Laboratory (CMAL) onder de paraplu van het Nano-initiatief van Chalmers Excellence.
Meer over het nieuwe TechForH2 Competence Center
TechForH2 is een competentiecentrum voor waterstoftechnologie dat wordt gecoördineerd en geleid door Chalmers, met RISE Research Institutes of Sweden als academische partner. Bij TechForH2 zijn een aantal industriële partners betrokken: Volvo, Scania, PowerCell, Johnson Matthey, Oxeon, GKN Aerospace, Insplorion, Siemens Energy en Stena.
TechForH2 zal zich onder meer richten op voertuiggeïntegreerde energieopslag, de behoeften van de maakindustrie, sensoren, brandstofcellen en technologie/instrumenten en innovaties in de toekomstige waterstofmaatschappij.
Het competentiecentrum heeft 54 miljoen SEK aan financiering ontvangen van het Zweedse Energieagentschap en heeft een bod van in totaal 161 miljoen SEK voor de eerste vijf jaar, met de mogelijkheid van verlenging met vijf jaar.
Met de steun van negen nieuwe promovendi en acht postdoctorale onderzoekers hoopt men nu een bijdrage te kunnen leveren aan kennisopbouw en onderwijs in het veld, en het tempo van de introductie van nieuwe waterstoftechnologie te verhogen om zo bij te dragen aan de transitie naar een fossielvrije samenleving.
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