上周，唐纳德·特朗普总统发布了一项行政命令，旨在让国家从应对气候变化的行动中退步。其中一个目标是美国环境保护署和土地管理局在奥巴马政府时期制定的甲烷排放法规。这些规则要求石油和天然气行业控制其运营中的甲烷排放，甲烷是一种强效温室气体。特朗普的命令指示各机构重新考虑这些规则，并可能重写或完全废除它们。
尽管特朗普总统发布了声明，但城市、州和企业仍然希望阻止整个行业的甲烷泄漏，因为甲烷气体加剧全球变暖，泄漏会降低收入。这就是为什么研究人员正在开发他们认为可能有所帮助的技术：一种微型芯片，用于持续监测甲烷排放。
尽管美国排放的甲烷远少于二氧化碳，但前者在100年期间每磅的温室效应潜能是后者的25倍。石油和天然气生产商排放的这种气体比美国任何其他工业活动都多，其中很大一部分来自井场等场所设备的泄漏，这些场所是钻探和开采的地点。如今，该行业使用一种昂贵且效率低下的方法来监测泄漏：红外摄像机，其成本为85,000美元至125,000美元，并且需要人工操作员。这意味着公司必须派人手动扫描设备以查找逸出的气体。“这些摄像机很昂贵，做一个井场需要一到两个小时，一个压缩站需要四到六个小时，一个加工厂可能需要整整一天，”西南能源公司企业环境项目主管道格·乔丹解释说。“这非常耗费资源。” 公司通常只每季度或每年进行一次这些检查。例如，如果一件设备在调查后立即开始泄漏，则可能会在数月内未被发现。此外，摄像机可能只对较大的泄漏足够敏感，可能会遗漏较小的泄漏。
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IBM的科学家和工程师与哈佛大学和普林斯顿大学的研究人员合作，设计了一种微型传感器芯片——尺寸约为五毫米乘五毫米——可以持续监测甲烷。该传感器安装在一个小型硅晶圆上，包含一个激光器和一根硅光缆，激光通过光缆传输。* 部分光线会从光缆外部照射到空气中；当甲烷分子漂浮在传感器上方时，它们会吸收特定波长的光，从而产生独特的特征信号。“我们的方法旨在检测光吸收的微小变化，”IBM硅集成纳米光子学组经理威廉·格林解释说。该信息被反馈到芯片上的光电探测器，光电探测器将特征信号转换为电信号。“我们绘制出吸收图，并计算出那里有多少甲烷，”格林说。
石油和天然气公司会将少量这些传感器嵌入到井场或压缩站周围的各个位置，间隔从10到100英尺不等。整个系统是无线的，这至关重要，因为石油和天然气站点通常地处偏远。当持续监测环境的芯片识别出泄漏时，它们会自动将数据发送到IBM的云端计算机。计算机依靠IBM目前正在开发的物理模型，这些模型结合了风湍流、湿度、海拔和温度等复杂动态，以确定甲烷的来源。该系统最终还将整合机器学习，以帮助改进建模。
一旦IBM的模型确定了泄漏源，公司就可以立即派人去修理。“其中一个优势是，您可以实时收到警报，并且它会被时间戳记录并进行地理位置识别，”IBM认知物联网系统和技术经理诺玛·索萨解释说。为了使系统更加自主和免维护，传感器系统可以使用太阳能供电。这项研究是美国能源部高级研究计划署–能源部（ARPA–E）资助的计划的一部分。
市场上已经存在一些用于甲烷检测的商业工具。这些工具包括石油和天然气行业使用的红外摄像机，以及依赖于与IBM使用的激光光吸收技术相同的独立传感器——尽管IBM芯片及其智能系统的设计和组成是独一无二的。此外，格林说，目前市场上的甲烷传感器非常昂贵、体积庞大且需要大量电力。“无法想象部署[这些]传感器网络，更不用说在每个井场部署一台这样的仪器进行持续监测，”他解释说。“成本太高了。” IBM已将其新型甲烷传感器设计为低成本——目标是每个芯片200美元。这意味着石油和天然气公司可以在任何需要的地方安装大量这些传感器。“这种新型芯片级传感器真的很有趣，”科罗拉多州立大学电力系统实验室主任兼其甲烷排放测试和评估中心的首席研究员丹尼尔·齐默尔勒说。“它未经测试，但它推动了价格的降低。”
IBM目前正在内部测试其传感器，并计划今年夏天在科罗拉多州测试其数据模型和相关组件。它还在与西南能源公司至少一个井场站点进行试点测试的讨论。IBM还设想了这项技术的其他可能性。该公司表示，其传感器有一天可以监测车辆尾气污染物或水污染物，检测火山周围的化学变化，甚至分析某人的呼吸以寻找疾病生物标志物。“那是对更遥远未来的展望，”格林说。目前，研究人员将致力于应对气候变化。
*编者注（4/7/17）：此句在发布后进行了编辑。原文错误地将电缆识别为玻璃而不是硅光学。