Κάποιος που δεν έχει επαφή με τη Φυσική δυσκολεύεται να αντιληφθεί τη σχέση που μπορεί να έχει ένα λέιζερ με την ατμοσφαιρική ρύπανση, η οποία σύμφωνα με τον Παγκόσμιο Οργανισμό Υγείας σκοτώνει κάθε χρόνο 7 εκατομμύρια ανθρώπους!
Η μέτρηση εκπομπών αερίων που συνιστούν την ατμοσφαιρική ρύπανση αποτελεί μια από τις κύριες προκλήσεις του αιώνα μας, αφενός γιατί μπορεί να είναι εκπληκτικά δύσκολο να επιτευχθεί με υψηλή ακρίβεια και αφετέρου γιατί πολλές από αυτές τις τεχνικές που μπορούν να τα μετρήσουν, μετρούν ένα μόνο αέριο θερμοκηπίου ή έναν ρύπο κάθε φορά.
Και εδώ έρχονται τα λέιζερ αερίου και όχι στην κλασική τους μορφή, αλλά συνδυασμένα με φωτοακουστική.
ΔΙΑΒΑΣΤΕ ΕΠΙΣΗΣ
Η φασματοσκοπική τεχνολογία λέιζερ που παρακολουθεί μεμονωμένες ενώσεις υπάρχει εδώ και δεκαετίες, αλλά τώρα ερευνητές στο Πολυτεχνείο της Δανίας με επικεφαλής τον Έλληνα αναπληρωτή καθηγητή Χρήστο Μάρκο, ανέπτυξαν για πρώτη φορά ένα σύστημα με λέιζερ αερίου που αν συνδυαστεί με φωτοακουστική αερίου μπορεί να παρακολουθεί με ακρίβεια πολλαπλά αέρια σε πραγματικό χρόνο και με πολύ υψηλή ευαισθησία.
«Τι ακριβώς είναι όμως ένα λέιζερ αερίου;», ρωτάω τον Έλληνα επιστήμονα.
«Μια κλασική οπτική ίνα αποτελείται από έναν κυλινδρικό πυρήνα από γυαλί πυριτίου, ο οποίος περιβάλλεται από ένα περίβλημα με δείκτη διάθλασης μικρότερο από εκείνον του πυρήνα. Φανταστείτε μια ίνα εντελώς κενή (κοίλου πυρήνα) και με τέτοια δομή στο μανδύα της που να συγκρατεί το φως στο κέντρο, και το οποίο θα ταξιδεύει στον αέρα χωρίς παρεμβολές. Συνεπώς μιλάμε για μια οπτική ίνα σχεδόν χωρίς απώλειες. Τώρα, αν πάει κάποιος και τοποθετήσει στον κενό χώρο ένα αέριο, τότε θα δημιουργήσει καινούργια λέιζερ σε άλλες γραμμές με βάση τις ιδιότητες του αέριου που χρησιμοποιήθηκε. Αυτό είναι το λέιζερ αερίου. Και εφόσον ο αέρας ή το εκάστοτε αέριο δεν περιορίζει το μήκος κύματος λειτουργίας του λέιζερ, όπως συμβαίνει με το γυαλί, τότε το λέιζερ μπορεί να δουλέψει σε καινούργια φάσματα από το πολύ βαθύ υπεριώδες μέχρι το βαθύ υπέρυθρο. Εμείς δημιουργήσαμε έτσι καινούργια λέιζερ με τα οποία μπορούμε να ‘χτυπήσουμε’ διάφορα αέρια ανάλογα με την εκάστοτε εφαρμογή», εξηγεί ο καθηγητής Μάρκος.
Το επόμενο βήμα μετά την ανάπτυξη των λέιζερ ήταν η ανίχνευση αυτών των αερίων. Και εκεί ακριβώς οι επιστήμονες εφάρμοσαν την φωτοακουστική, δηλαδή μια τεχνική που… ακούει τον ήχο που εκπέμπει το κάθε αέριο μετά την απορρόφηση του φωτός, εν προκειμένω ακούει τον ήχο των διαφορετικών λέιζερ.
Πηγή Φωτό: DTU Electro
«Τα αέρια που χτυπάμε με τα λέιζερ έχουν πολύ υψηλό βαθμό απορρόφησης και αυτό είναι καλό. Επίσης βρισκόμαστε στην περιοχή υπερύθρων (IR), γνωστή ως περιοχή μοριακών δακτυλικών αποτυπωμάτων, που παίζει ουσιαστικό ρόλο σε ένα ευρύ τόξο εφαρμογών, ιδιαίτερα στην ανάλυση ιχνών αερίων. Όσο πιο μεγάλη είναι η απορρόφηση, τόσο ισχυρότερος είναι ο ήχος που παράγεται και έτσι μπορούμε να ανιχνεύσουμε τα αέρια με πολύ μεγάλη ευαισθησία. Είναι η πρώτη φορά που επιδεικνύουμε αυτή την τεχνολογία λέιζερ αερίων στην κεντρική υπέρυθρη ζώνη σε συνδυασμό με την χρήση φωτοακουστικής», σημειώνει ο Δρ Μάρκος.
Η ομάδα περιγράφει στην πρόσφατα δημοσιευμένη εργασία της στο Nature Communications τη νέα μέθοδο σύνθεσης με ακρίβεια, πολλαπλών στενών οπτικών φασματικών γραμμών και ανεξάρτητα συντονισμένων σε όλη την περιοχή του σχεδόν μεσαίου υπερύθρου. Ο αριθμός και τα μήκη κύματος των δημιουργούμενων φασματικών γραμμών μπορούν να αναδιαμορφωθούν δυναμικά.
«Δημιουργήσαμε πολύ στενές γραμμές λέιζερ στοχεύοντας τα επιθυμητά αέρια, αποφεύγοντας ταυτόχρονα τυχόν παρεμβολές από γειτονικά αέρια, ώστε να έχουμε υψηλότερη ανάλυση», προσθέτει ο Έλληνας επιστήμονας.
Η ανάπτυξη στενών γραμμών λέιζερ μπορεί να επιτύχει υψηλή ευαισθησία και ακρίβεια αποφεύγοντας την διασταυρούμενη παρεμβολή διαφορετικών αερίων με επικαλυπτόμενα φάσματα απορρόφησης.
Ο καθηγητής εξηγεί πως η σύνθεση πολλαπλών στενών οπτικών φασματικών γραμμών, με ακρίβεια και ανεξάρτητο συντονισμό στην περιοχή σχεδόν της μεσαίας υπέρυθρης ακτινοβολίας, είναι ένας κεντρικός ερευνητικός τομέας που επιτρέπει την επιλεκτική και σε πραγματικό χρόνο ανίχνευση ιχνών ειδών αερίων – και όχι μόνο - μέσα σε πολύπλοκα μείγματα αερίων.
Η τεχνολογία πίσω από το ανεπτυγμένο αυτό σύστημα βασίζεται στην αναδυόμενη τεχνολογία αντι-συντονιστικών ινών κοίλου πυρήνα γεμάτη με αέριο, όπου οι συγγραφείς της συγκεκριμένης μελέτης συγκαταλέγονται μεταξύ των κορυφαίων παγκοσμίως. Στη μελέτη αναφέρονται δύο διαφορετικές οπτικές ίνες κοίλου πυρήνα γεμάτες με ενεργά αέρια που συνδυάζονται σε μια διαδοχική διαμόρφωση η οποία παράγει ισχυρούς παλμούς λέιζερ για να στοχεύσουν το διοξείδιο του άνθρακα (CO2) και το διοξείδιο του θείου (SO2).
Ένα τέτοιο σύστημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε βαριές και σε ναυτιλιακές βιομηχανικές εγκαταστάσεις για την παρακολούθηση επιβλαβών εκπομπών αερίων, καθώς και να συνεισφέρει στην επίτευξη του στόχου της ΕΕ για μείωση μέχρι το 2030 των καθαρών εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου κατά τουλάχιστον 55% σε σύγκριση με τα επίπεδα του 1990.
Τα λέιζερ αερίου χρησιμοποιούνται σήμερα σε πολλές βιομηχανίες και σε ποικίλες εφαρμογές, όπως σε ολογραφία, μετρήσεις, επιτάχυνση της παραγωγής, συγκόλληση και κοπή μετάλλων (π.χ. μαλακοί χάλυβες ή αλουμίνιο και τα κράματά του), κ.ά.
Τα λέιζερ αερίου είναι μια ανθρώπινη επινόηση που μπορεί να χρησιμεύσει στη βελτίωση του κόσμου μας. Το ταξίδι ανάπτυξης αυτής της ευέλικτης εφεύρεσης ξεκίνησε στα τέλη του 20ου αιώνα. Ένα λέιζερ αερίου (το 1960) που χρησιμοποιούσε ήλιο και νέον ήταν το πρώτο λέιζερ συνεχούς εκπομπής και το πρώτο που μετέτρεψε την ηλεκτρική ενέργεια σε έξοδο φωτός. Τα αέρια που χρησιμοποιούνται στο σχεδιασμό και την εφαρμογή λέιζερ αερίου είναι συνήθως το διοξείδιο του άνθρακα (CO2), το ήλιο-νέον (Η και Ne) και το άζωτο (Ν).
Λίγα λόγια για τον Χρήστο Μάρκο
Ο Χρήστος Μάρκος έλαβε το 2007 δίπλωμα και ένα χρόνο αργότερα μάστερ Ηλεκτρολόγου Μηχανικού και Ηλεκτρονικού (και τα δυο με διάκριση) από το Πανεπιστήμιο του Λίβερπουλ στην Αγγλία, συνέχισε τις σπουδές του στο Ινστιτούτο Θεωρητικής και Φυσικής Χημείας, στο Εθνικό Ίδρυμα Ερευνών (ΕΙΕ) στην Αθήνα και έλαβε διδακτορικό στην Οπτική/Οπτοηλεκτρονική το 2013 από το Πανεπιστήμιο Πατρών. Δραστηριοποιείται ευρέως ερευνητικά στον τομέα της φωτονικής και των οπτικών υλικών και ιδιαίτερα στην τεχνολογία οπτικών ινών για ανάπτυξη λέιζερ αερίου, μη-γραμμικών γυαλιών χαλκογονιδίου και οπτικών ινών πολλαπλών υλικών για ανάπτυξη νέων νευρωνικών διεπαφών και οπτοηλεκτρονικών ‘έξυπνων’ συσκευών.
Ο Χρήστος Μάρκος έχει ενταχθεί και συνεργαστεί με πολλές διακεκριμένες ερευνητικές ομάδες στις ΗΠΑ και την Ευρώπη, συμπεριλαμβανομένης της Multi-material Optical Fiber Devices Group στο College of Optics and Photonics (CREOL), των ΗΠΑ και της Mid-Infrared Photonics Group στο Πανεπιστήμιο του Nottingham, UK μεταξύ άλλων. Έχει ιδρύσει τρία υπερσύγχρονα εργαστήρια στο DTU Electro (στο Πολυτεχνείο Δανίας) για σύνθεση μαλακού γυαλιού, εξώθηση και κατασκευή ινών και δύο ακόμη εργαστήρια που εστιάζουν στη Νευροφωτονική και στα λέιζερ αερίων με υψηλή παλμική ενέργεια. Ο επιστήμονας κατέχει τη θέση του Αναπληρωτή Καθηγητή και είναι επικεφαλής της επιστημονικής ομάδας Neural Devices and Gas Photonics στο DTU Electro. Είναι ισόβιο μέλος των κοινωνιών OSA και SPIE, συντάκτης στο περιοδικό Optics Letters και συνιδρυτής της εταιρίας NORBLIS ApS που εξειδικεύεται σε συστήματα λέιζερ και απεικόνισης.
