Improved design and field deployment of laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) in-situ groundwater trace element analyzer
يُبلغ هذا البحث عن النشر الميداني الناجح لمستشعر مياه جوفية مصغر يعمل بتقنية مطيافية الانهيار المستحث بالليزر (LIBS) مُعاد تصميمه وذو مواجهة جانبية، والذي يقضي على تباين البيانات الناتج عن الفقاعات ويُظهر أداءً محسناً من خلال سبعة أسابيع من التشغيل المستمر تحت السطح.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في أعماق ما تحت سطح الأرض، في عالم المياه الجوفية المظلم والواقع تحت ضغط عالٍ، يمكن لتهديد صامت أن يتربص: الهجرة البطيئة لمياه الصرف الملحية والسامة الناتجة عن عمليات النفط والغاز. فعندما تتسرب هذه السوائل الملوثة من آبار الحقن، يمكنها أن تسمم طبقات المياه الجوفية العذبة التي يعتمد عليها الملايين في الشرب والزراعة. ولرصد هذه التسريبات في وقت مبكر، يحتاج العلماء إلى وسيلة لمعرفة ماهية المواد المذابة في الماء بدقة، في مكان وجودها تحت الأرض تمامًا، دون الحاجة لسحب عينة إلى المختبر. وتكمن الصعوبة في أن البيئة هناك قاسية ومظلمة ومليئة بالفقاعات التي يمكن أن تضلل الأجهزة الدقيقة. وقد عمل الباحثون في المختبر الوطني لتكنولوجيا الطاقة على تطوير أداة لحل هذه المشكلة: مسبار صغير ومتين يستخدم ومضة ضوئية قصيرة وكثيفة لتحليل التركيب الكيميائي للماء فورًا.
تعتمد هذه الأداة على تقنية تسمى "مطيافية الانهيار المستحث بالليزر". تخيل توجيه ليزر قوي وسريع الوتيرة نحو قطرة من الماء؛ حيث يصطدم الليزر بالماء بقوة شديدة لدرجة أنه يحول جزءًا ضئيلًا منه إلى سحابة غازية متوهجة وشديدة الحرارة تسمى "البلازما". وبينما تبرد هذه السحابة المتوهجة في جزء من الثانية، فإنها تنبعث منها ألوان طيف محددة، تشبه بصمة الإصبع، تكشف بدقة عن العناصر الموجودة في الماء. ومن خلال قراءة هذا الضوء، يمكن للآلة تحديد ما إذا كانت هناك معادن أو أملاح خطيرة موجودة. ورغم أن هذه الطريقة قوية، إلا أن وضعها تحت الأرض يطرح مشكلة فريدة؛ فعندما يطلق الليزر شعاعه تحت الماء، فإن الحرارة الشديدة وموجة الصدمة يمكن أن تسبب تكون فقاعات غازية صغيرة تطفو للأعلى. وفي النسخة السابقة من الجهاز، كانت هذه الفقاعات تُحبس مباشرة أمام نافذة المستشعر، مما يحجب الليزر ويشتت الضوء، تمامًا مثل الضباب على زجاج السيارة الأمامي. وقد جعل هذا القراءات غير موثوقة وتسبب في تلاشي الإشارة بمرور الوقت.
ولإصلاح ذلك، أعاد فريق البحث تصميم المسبار لتغيير اتجاه الليزر. فبدلاً من إطلاق الشعاع مباشرة نحو أسفل المستشعر، أضافوا محولًا خاصًا يغير اتجاه الشعاع بمقدار تسعين درجة، بحيث ينطلق من جانب الجهاز. هذا التغيير البسيط يسمح لأي فقاعات ناتجة عن الليزر بالارتفاع بشكل طبيعي بعيدًا عن نافذة المستشعر، بدلًا من أن تظل عالقة أمامها. وقد بنى الفريق محولًا جديدًا باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد والفولاذ المقاوم للصدأ، وثبتوه على المسبار الحالي. ثم أنزلوا هذا الجهاز المعدل في بئر مراقبة في ولاية فرجينيا الغربية، وتركوه مغمورًا في المياه الجوفية لمدة سبعة أسابيع. أطلق المسبار شعاع الليزر الخاص به آلاف المرات يوميًا، جامعًا البيانات باستمرار بينما كان مستقرًا على عمق 27 قدمًا، حيث يكون ضغط الماء كبيرًا.
كانت نتائج هذا الاختبار طويل الأمد واضحة ومشجعة. فخلافًا للتصميم السابق، الذي عانى من تلاشي الإشارات مع تراكم الفقاعات، حافظ التصميم الجديد المواجه للجانب على إشارة ثابتة وقوية طوال فترة الأسابيع السبعة بأكملها. وأظهرت البيانات التي جُمعت أن النظام يمكنه اكتشاف العناصر الشائعة مثل الكالسيوم والصوديوم والبوتاسيوم بشكل موثوق، وحتى رصد آثار المنجنيز والليثيوم عند جمع قدر كافٍ من البيانات. ووجد الباحثون أن التصميم الجديد قضى على فقدان الإشارة الناتج عن الفقاعات، مما أثبت أن النهج المواجه للجانب يعمل من أجل مراقبة مستقرة وطويلة الأمد. ورغم أن المحول الجديد قلل قليلاً من سطوع الإشارة الإجمالي بسبب المرايا والعدسات الإضافية اللازمة لتغيير اتجاه الشعاع، إلا أن هذه المقايضة كانت تستحق العناء من أجل الاستقرار الذي وفرته.
يُظهر هذا العمل أن التكنولوجيا جاهزة للخطوة التالية: أن تصبح أصغر، وأبسط، وأكثر أتمتة. الجهاز الحالي يبلغ عرضه أكثر من بوصتين بقليل، وهو عرض كافٍ بالفعل للدخول في العديد من آبار المراقبة، لكن الفريق يعتقد أنه يمكن تصغيره أكثر ليتناسب مع المساحات الأكثر ضيقًا. ويشير نجاح اختبار الحقل هذا إلى أن مثل هذا الجهاز يمكن استخدامه في المستقبل ليس فقط لمراقبة مواقع حقن مياه الصرف الصحي، بل أيضًا لمراقبة العمليات الصناعية، أو التحقق من تصريف المناجم الحمضي، أو تتبع جودة المياه في الوقت الفعلي. ومن خلال حل مشكلة الفقاعات تحت الماء، نجح الباحثون في تجاوز عقبة رئيسية، مما يقربنا من مستقبل يمكننا فيه مراقبة كيمياء مياهنا الجوفية كما تحدث، لضمان بقاء مياهنا آمنة ونظيفة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.