La industria energética de Estados Unidos pierde cada año aproximadamente un 3 por ciento de su producción de gas natural, lo que equivale a unos $1,000 millones en ingresos, debido a infraestructuras con fugas. Estos plumas de gas metano, que escapan de forma invisible al aire, ahora pueden ser detectados, fotografiados y medidos gracias a un lidar especializado que se vuela en aeronaves pequeñas.
Este lidar es un producto de Bridger Photonics, una destacada empresa de detección de metano con sede en Bozeman, Montana. El Laboratorio Lincoln del MIT desarrolló el amplificador óptico del lidar, un componente clave del sistema, al avanzar su tecnología existente llamada amplificador de guía de onda óptica acoplado a un bloque (SCOWA). El lidar que detecta metano es de 10 a 50 veces más efectivo que otros sensores remotos aéreos disponibles en el mercado.
«Este sensor capaz de volar en drones para la imagen del metano es un gran ejemplo de la tecnología del Laboratorio Lincoln en acción, combinada con una aplicación comercial impactante», afirma Paul Juodawlkis, quien pionero en la tecnología SCOWA junto a Jason Plant en la División de Tecnología Avanzada y colaboró con Bridger Photonics para habilitar su aplicación comercial.
Adopción del Lidar en la Industria del Gas
Hoy en día, el producto está siendo adoptado ampliamente, incluyendo a nueve de los diez principales productores de gas natural en Estados Unidos. «Mantener el gas en la tubería es beneficioso para todos — ayuda a las empresas a llevar el gas al mercado, mejora la seguridad y protege el medio ambiente», sostiene Pete Roos, fundador y director de innovación de Bridger. «El desafío con el metano es que no puedes verlo. Hemos resuelto un problema fundamental con el Laboratorio Lincoln.»
Un «milagro» en la fuente láser
En 2014, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada en Energía (ARPA-E) buscaba una forma rentable y precisa de detectar fugas de metano. El metano, altamente inflamable y un contaminante potente, se transporta a través del país mediante una vasta y compleja red de tuberías. Bridger presentó una propuesta de investigación en respuesta a la convocatoria de ARPA-E y recibió financiamiento para desarrollar un lidar aéreo pequeño y sensible.
El lidar aéreo envía luz láser al suelo y mide la luz que se refleja de vuelta al sensor. Este tipo de lidar se utiliza a menudo para producir mapas topográficos detallados. La idea de Bridger fue combinar el mapeo topográfico con las mediciones de gas. El metano absorbe luz en la longitud de onda infrarroja de 1.65 micrones. Operar un láser en esa longitud de onda permitiría que un lidar detectara las plumas invisibles y midiera las tasas de fuga.
Innovación Continua en el Laboratorio Lincoln
«Esta fuente láser fue una de las partes más difíciles de conseguir. Es un elemento clave», dice Roos. Su equipo necesitaba una fuente láser con características específicas para emitir con suficiente potencia a una longitud de onda de 1.65 micrones y funcionar desde altitudes útiles. Roos recordó que el gerente del programa de ARPA-E dijo que necesitaban un «milagro» para lograrlo.
A través de conexiones mutuas, Bridger fue presentado a una tecnología del Laboratorio Lincoln para amplificar señales láser ópticamente: el SCOWA. Cuando Bridger contactó a Juodawlkis y Plant, habían estado trabajando en SCOWAs durante una década. Aunque nunca habían investigado SCOWAs a 1.65 micrones, pensaron que la tecnología fundamental podría extenderse para operar a esa longitud de onda. El Laboratorio Lincoln recibió financiamiento de ARPA-E para desarrollar SCOWAs a 1.65 micrones y proporcionar unidades prototipo a Bridger para su incorporación en sus sistemas de mapeo de gas.
«Ese fue el milagro que necesitábamos», dice Roos.
Un Legado en Innovación Lásica
El Laboratorio Lincoln ha sido durante mucho tiempo un líder en tecnología de láser semiconductores y emisores ópticos. En 1962, el laboratorio fue uno de los primeros en demostrar el láser de diodo, que ahora es el láser más utilizado globalmente. Varias empresas derivadas, como Lasertron y TeraDiode, han comercializado innovaciones que provienen de la investigación láser del laboratorio, incluyendo aquellas para telecomunicaciones de fibra óptica y aplicaciones de corte de metales.
En los primeros años de 2000, Juodawlkis, Plant y otros en el laboratorio reconocieron la necesidad de un amplificador óptico semiconductores único, poderoso y brillante, que pudiera mejorar el lidar y las comunicaciones ópticas. Desarrollaron el concepto SCOWA (amplificador de guía de onda óptica acoplado a un bloque) al extender trabajos anteriores sobre láseres de guía de onda acoplados a bloques (SCOWLs). El SCOWA inicial fue financiado bajo la cartera de inversión tecnológica interna del laboratorio, que proporciona un fondo de I+D facilitado por el subsecretario de defensa para investigación y ingeniería para fomentar nuevas ideas tecnológicas.