Improved design and field deployment of laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) in-situ groundwater trace element analyzer
Cet article rend compte du déploiement sur le terrain réussi d'un capteur de LIBS pour eaux souterraines miniaturisé, à face latérale et redessiné, qui élimine la variabilité des données induite par les bulles et démontre une performance améliorée grâce à sept semaines de fonctionnement continu en milieu souterrain.
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Profondément sous la surface de la terre, dans le monde sombre et sous pression des eaux souterraines, une menace silencieuse peut se tapir : la migration lente d'eaux usées salées et toxiques provenant des opérations pétrolières et gazières. Lorsque ce fluide contaminé fuit des puits d'injection, il peut empoisonner les aquifères d'eau douce dont des millions de personnes dépendent pour la consommation et l'agriculture. Pour détecter ces fuites précocement, les scientifiques ont besoin d'un moyen de voir exactement ce qui est dissous dans l'eau, là où elle se trouve sous terre, sans avoir à remonter un échantillon vers un laboratoire. Le défi est que l'environnement là-bas est rude, sombre et rempli de bulles qui peuvent perturber les instruments délicats. Des chercheurs du National Energy Technology Laboratory travaillent sur un outil pour résoudre ce problème : une petite sonde robuste qui utilise un flash de lumière minuscule et intense pour analyser la composition chimique de l'eau instantanément.
Cet outil repose sur une technique appelée spectroscopie de plasma induit par laser. Imaginez pointer un laser puissant et rapide vers une goutte d'eau. Le laser frappe l'eau si fort qu'il transforme une minuscule particule de celle-ci en un nuage de gaz super chaud et incandescent appelé plasma. Tandis que ce nuage incandescent se refroidit pendant une fraction de seconde, il émet un arc-en-ciel de lumière spécifique, tel une empreinte digitale, qui révèle exactement quels éléments sont présents dans l'eau. En lisant cette lumière, la machine peut déterminer si des métaux ou des sels dangereux sont présents. Bien que cette méthode soit puissante, l'installer sous terre présente un problème unique. Lorsque le laser tire sous l'eau, la chaleur intense et l'onde de choc peuvent provoquer la formation de petites bulles de gaz qui remontent à la surface. Dans la version précédente du dispositif, ces bulles restaient piégées juste devant la fenêtre du capteur, bloquant le laser et dispersant la lumière, un peu comme du brouillard sur un pare-brise de voiture. Cela rendait les lectures peu fiables et faisait s'estomper le signal au fil du temps.
Pour corriger cela, l'équipe de recherche a redessiné la sonde pour changer la direction du laser. Au lieu de projeter le faisceau directement vers le bas du capteur, ils ont ajouté un adaptateur spécial qui fait pivoter le faisceau à quatre-vingt-dix degrés, de sorte qu'il soit projeté sur le côté de l'appareil. Ce changement simple permet aux bulles créées par le laser de monter naturellement loin de la fenêtre du capteur, plutôt que de rester coincées devant elle. L'équipe a fabriqué un nouvel adaptateur en utilisant l'impression 3D et l'acier inoxydable, en l'ajustant sur leur sonde existante. Ils ont ensuite descendu ce dispositif modifié dans un puits de surveillance en Virginie-Occidentale, le laissant immergé dans les eaux souterraines pendant sept semaines. La sonde a tiré son laser des milliers de fois par jour, collectant des données en continu tout en étant située à une profondeur de 27 pieds, là où la pression de l'eau est significative.
Les résultats de ce test à long terme ont été clairs et encourageants. Contra contrairement à l'ancien design, qui souffrait d'une perte de signal due à l'accumulation de bulles, le nouveau design orienté vers le côté a maintenu un signal constant et fort pendant toute la période de sept semaines. Les données collectées ont montré que le système pouvait détecter de manière fiable des éléments communs comme le calcium, le sodium et le potassium, et même repérer des traces de manganèse et de lithium lorsqu'assez de données étaient rassemblées. Les chercheurs ont constaté que le nouveau design éliminait la perte de signal causée par les bulles, prouvant que l'approche latérale fonctionne pour une surveillance stable et à long terme. Bien que le nouvel adaptateur ait légèrement réduit la luminosité globale du signal en raison des miroirs et des lentilles supplémentaires nécessaires pour détourner le faisceau, l'échange valait la peine pour la stabilité qu'il apportait.
Ce travail démontre que la technologie est prête pour la prochaine étape : devenir plus petite, plus simple et plus automatisée. L'appareil actuel mesure un peu plus de deux pouces de large, ce qui est déjà assez petit pour de nombreux puits de surveillance, mais l'équipe pense qu'il peut être encore réduit pour s'adapter à des espaces encore plus étroits. Le succès de ce test sur le terrain suggère qu'un tel dispositif pourrait éventuellement être utilisé non seulement pour surveiller les sites d'injection d'eaux usées, mais aussi pour surveiller les processus industriels, vérifier le drainage minier acide ou suivre la qualité de l'eau en temps réel. En résolvant le problème des bulles sous l'eau, les chercheurs ont franchi un obstacle majeur, nous rapprochant d'un avenir où nous pourrons observer la chimie de nos eaux souterraines au moment même où elle se produit, garantissant ainsi que notre eau reste sûre et propre.
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