Alla luce dei cambiamenti climatici in atto, monitorare e comprendere in tempo reale le diverse fonti e i pozzi di assorbimento dei gas serra a livello globale è più importante che mai. Un aspetto fondamentale è la regolamentazione e il monitoraggio delle emissioni di metano di origine antropica. I sistemi laser, come quelli sviluppati dai ricercatori del Fraunhofer ILT, offrono soluzioni in questo ambito: in quanto componente centrale degli strumenti LIDAR, sono in grado di determinare con precisione i gas serra presenti nell'atmosfera, con risoluzione spaziale e temporale, anche a grandi distanze e in tutto il mondo.
L'estate del 2024 è stata di gran lunga la più calda da quando sono iniziate le rilevazioni. Oltre all'anidride carbonica, il metano è una delle principali cause del riscaldamento globale. Come gas serra, il metano è oltre 25 volte più potente dell'anidride carbonica.
Sebbene sia ampiamente noto come il metano entri nell'atmosfera, spesso non è chiaro dove, quando e in quale misura ciò avvenga. È quindi importante misurare e monitorare con precisione la concentrazione dei gas serra nell'atmosfera. Finora il metano proveniente dallo spazio è stato misurato solo passivamente, cioè tramite la luce solare assorbita da questo gas nell'atmosfera. La concentrazione può essere calcolata dall'assorbimento. Tuttavia, questo metodo funziona solo di giorno e la sua precisione è limitata.
In alternativa, un sistema LIDAR (LIght Detection And Ranging) può determinare direttamente la concentrazione di metano. Il sistema LIDAR utilizza laser con due lunghezze d'onda a circa 1.645 nm per rendere la misurazione indipendente da fattori esterni, ad esempio B. la riflettività fortemente fluttuante della superficie terrestre. Misura l'assorbimento della luce dell'atmosfera alle lunghezze d'onda di massimo e minimo assorbimento del metano. Dal confronto dei valori misurati si ricava la concentrazione di metano nella colonna d'aria nel percorso di misura. (Foto: Il successore del satellite ADM Aeolus utilizzerà un potente UV-LIDAR per misurare in dettaglio i profili del vento sopra la Terra.)
Un'applicazione già consolidata della tecnologia LIDAR per determinare la concentrazione locale di metano è l'indagine sulle condotte: il gas naturale è costituito per circa l'85% da metano; Di conseguenza, qualsiasi perdita durante l'esplorazione o il trasporto costituisce una fonte di metano. Ciò non solo è dannoso per il clima, ma rappresenta anche un grave rischio di esplosione. Per questo motivo, gli operatori controllano le condutture, le stazioni di compressione e altre strutture per individuare eventuali perdite di metano. L'azienda Adlares di Teltow, nei pressi di Berlino, ha implementato il metodo CHARM (CH4 Airborne Remote Monitoring), con il quale è possibile misurare le concentrazioni di metano durante i sorvoli in elicottero.
L'elicottero vola a velocità fino a 180 km/h a un'altitudine compresa tra 100 e 150 metri e, grazie all'elevata frequenza di misurazione di 1.000 punti di misurazione al secondo, è in grado di registrare perdite a partire da 150 l/h con velocità del vento fino a 24 km/h. La sorgente del fascio per il sistema LIDAR è stata sviluppata da un team del Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT di Aquisgrana. Nella seconda generazione CHARM, contiene due laser Nd:YAG pompati a diodi con una larghezza di linea particolarmente stretta. Adlares ha fornito un oscillatore ottico parametrico che converte la lunghezza d'onda laser da circa 1 µm all'infrarosso medio a 3,3 µm.
Nel frattempo, l'elicottero dotato di sistema LIDAR non solo ha sorvolato diverse decine di migliaia di chilometri di condotte, ma ha anche esaminato le emissioni di discariche, impianti di trattamento delle acque reflue, miniere di carbone e aziende agricole. Il sistema è così sensibile che riesce a misurare persino gli odori di una singola mucca.
I singoli impianti possono essere rapidamente ispezionati tramite elicottero, ma questo approccio è troppo costoso e troppo lento per una ricerca globale delle fonti di metano. Ad esempio, quando il permafrost si scioglie, può emettere metano in basse concentrazioni su vaste aree.
Per questo motivo le agenzie spaziali tedesca e francese hanno pianificato diversi anni fa la missione MERLIN (Methane Remote Sensing LIDAR Mission). Un satellite misurerà e mapperà la concentrazione di metano nell'atmosfera terrestre da un'altitudine di circa 500 chilometri. A bordo del satellite sarà presente uno strumento LIDAR la cui sorgente laser proviene dal Fraunhofer ILT di Aquisgrana.
Le tecnologie dello strumento LIDAR della missione MERLIN sono state progettate e sviluppate da un consorzio di aziende industriali e istituti di ricerca tedeschi. La responsabilità scientifica spetta al dipartimento LIDAR dell'Istituto di fisica atmosferica (IPA) del DLR di Oberpfaffenhofen.
Per partner quali DLR, Airbus Defence and Space, TESAT Spacecom ed ESA, il Fraunhofer ILT sviluppa da anni tecnologie per sistemi laser adatti all'impiego spaziale. Per questo scopo, l'azienda di Aquisgrana ha sviluppato una tecnologia di produzione completa. I componenti realizzati in questo modo sono in grado di resistere alle sollecitazioni che si verificano durante il lancio e il funzionamento nello spazio.
Il laser al centro del sistema LIDAR deve resistere a urti fino a 300 g e vibrazioni fino a 25 g, nonché a cicli termici da -30 °C a +50 °C. Inoltre, gli sviluppatori devono evitare il più possibile l'uso di materiali organici, come gli adesivi, per non contaminare le superfici degli specchi ad alta purezza. E naturalmente il laser dovrà funzionare senza necessità di manutenzione e senza deterioramento per tutta la durata della missione, che durerà più di tre anni.
L'ESA ritiene che i sistemi LIDAR rappresentino un'importante tecnologia futura con un elevato potenziale per l'ulteriore sviluppo dei modelli meteorologici globali: da un lato, possono migliorare significativamente le previsioni meteorologiche, con particolare attenzione alla gestione delle catastrofi. Con l'aumento degli eventi meteorologici estremi causati dai cambiamenti climatici, aumenta anche la necessità di fornire un'allerta tempestiva e di agire il più rapidamente possibile.
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