Это возможно, потому что атомы углерода встречаются в тяжелой и легкой формах или изотопах, и измерение относительного количества каждого из них может выявить источник углерода. Использование изотопов углерода таким способом — не новая идея, но для этого требуются чрезвычайно точные и дорогостоящие измерения. Новый прибор, разработанный химиками NIST Адамом Флейшером и Дэвидом Лонгом и основанный на технологии, называемой кольцевой спектроскопией резонатора (CRDS), обещает значительно снизить стоимость этих измерений. Они описали работу инструмента в The Journal of Physical Chemistry Letters.
«Измерение изотопов углерода — чрезвычайно полезный метод, но до сих пор он находил ограниченное применение из-за стоимости», — сказал Лонг. «Снижение стоимости откроет путь для новых приложений, особенно тех, которые требуют тестирования большого количества образцов».Ключом к этим измерениям является углерод-14, радиоактивный (но безвредный) изотоп углерода, который образуется в верхних слоях атмосферы.
Этот углерод-14 проникает во все живые существа. В отличие от обычного углерода, углерод-14 нестабилен, его период полураспада составляет 5730 лет. Когда живые существа умирают, они перестают включать углерод в свои тела, а их углерод-14 начинает распадаться.
Ученые могут подсчитать, как давно что-то умерло, измерив, сколько углерода-14 содержится в его остатках. Этот метод называется углеродным датированием, и ученые используют его для датирования таких вещей, как кости неандертальцев и волокна древних растений.Ископаемое топливо также является остатками живых существ, в основном растений, которые умерли сотни миллионов лет назад.
Практически весь их углерод-14 распался эоны назад, поэтому все, что из них получено, отличается отсутствием измеримых количеств углерода-14.Но углерод-14 встречается крайне редко, и чтобы использовать его для определения ископаемого топлива, ученые должны иметь возможность измерять его при концентрациях всего лишь 1 часть на 10 триллионов.
Это эквивалент одной песчинки в 60 самосвалах, заполненных этим материалом.Чтобы измерить такие низкие концентрации, вам понадобится чрезвычайно чувствительный метод измерения, и такой метод уже существует. Археологи полагались на это десятилетиями. Но для этого метода требуется ускоритель частиц для разделения изотопов (более тяжелый углерод-14 ускоряется медленнее, чем обычный углерод-12), а также помещение для его размещения и команда докторов наук, которая им управляет.
Инструмент CRDS, разработанный Флейшером и Лонгом, может размещаться на лабораторном столе и относительно недорог в эксплуатации.Приборы CRDS анализируют газы, определяя длины волн света, которые они поглощают.
Например, CO2, содержащий углерод-14, так называемый тяжелый CO2, поглощает волны с немного другой длиной волны, чем обычный CO2.Чтобы измерить количество тяжелого СО2 в образце СО2, вы сначала вводите образец в измерительную полость прибора («C» в CRDS), которая представляет собой трубку с зеркалами внутри на обоих концах. Затем вы настраиваете лазер на точную длину волны, которую поглощает только тяжелый углекислый газ, и стреляете из него в резонатор. Когда лазерный свет отражается между зеркалами, часть его энергии поглощается газом.
Чем больше абсорбция, тем выше концентрация тяжелого СО2.Для достижения требуемой чувствительности Флейшер и Лонг усовершенствовали существующую технологию CRDS, разработав систему, которая охлаждает полость до однородной температуры минус 55 градусов по Цельсию и сводит к минимуму колебания температуры, которые могут помешать измерению.
Очень холодная камера позволяет их инструменту обнаруживать очень слабые сигналы поглощения света, точно так же, как вы могли бы услышать падение булавки, если бы сделали комнату очень тихой.Это и другие улучшения повысили чувствительность прибора до уровня, достаточного для точного определения возраста по углероду.
Чтобы протестировать биотопливо и биопластик, вы сначала должны сжечь эти материалы, а затем собрать полученный CO2 для анализа. Это позволит вам протестировать топливную смесь, чтобы определить, какая часть ее составляет биотопливо. Например, в сфере авиаперевозок это было бы полезно, поскольку некоторые страны требуют, чтобы авиационное топливо содержало определенный процент биотоплива.
Такие тесты также можно использовать для проверки того, что биопластики, которые продаются по более высокой цене, не содержат соединений нефтяного происхождения.Чтобы оценить выбросы ископаемого топлива в географической области, вы должны собрать множество проб воздуха в этой области и проанализировать атмосферный CO2 в этих пробах. В областях с высокими выбросами ископаемого топлива, таких как города и промышленные зоны, концентрация тяжелого CO2 будет ниже нормы.«Выбросы ископаемого топлива снижают концентрацию тяжелого CO2 в воздухе», — сказал Флейшер. «Если мы сможем точно измерить эту концентрацию после того, как она была разбавлена, мы сможем подсчитать, сколько выбросов ископаемого топлива содержится в смеси».
Согласно отчету Национальной академии наук, 10 000 проб в год, собираемых в тщательно выбранных местах по всей территории Соединенных Штатов, будет достаточно для оценки национальных выбросов от ископаемого топлива с точностью до 10 процентов от фактического значения. Такая система измерений может повысить надежность национальных оценок выбросов.
Это было бы особенно полезно в тех частях мира, где нет доступных высококачественных данных о выбросах.