هفته گذشته در برنامه‌ای با حضور معاون فناوری رئیس جمهوری، چندین طرح فناورانه در دانشگاه تهران افتتاح شد که یکی از آنها، سامانه نشت‌یابی از راه دوری لیزری در دانشکده فیزیک دانشگاه تهران بود.
به همین بهانه، هدیه میرزایی، کارشناس روابط عمومی با دکتر عطاملک قربان‌زاده، مسئول آزمایشگاه تحقیقات لیزری، گفتگویی انجام داده است که در ادامه می‌آید:
دکتر عطاملک قربان‌زاده در تشریح اهمیت اقدامات صورت گرفته در زمینه راه‌اندازی این سامانه گفت: «شناسایی نشت، همواره جزو اولویت‌های شرکت‌هایی همچون شرکت ملی گاز و یا شرکت ملی انتقال گاز، شرکت ملی نفت ایران و سایر نهادهایی که با گاز سرو کار دارند بوده است».
دانشیار دانشکده فیزیک پردیس علوم تأکید کرد: «نشت گاز و شناسایی آن از مسائل مهم صنایع کشور در حوزه گاز، نفت، پتروشیمی و معادن است که معمولاً با گازهایی با قابلیت اشتعال و انفجار و یا سمی سرو کار دارند. در صورت عدم شناسایی، اغلب نشت توسعه یافته و در برخی موارد به انفجار در خطوط لوله انتقال و یا تأسیسات پالایشگاهی، پتروشیمی و یا معادن منجر می‌شود که خسارات قابل توجهی به بار می‌آورد. از این‌رو، به‌کارگیری تجهیزات مدرن برای مانیتورینگ دائمی و یا بازرسی‌های دوره‌ای جهت شناسایی نشت گاز اهمیت دارد».
وی درباره معایب استفاده از پروب‌های سنتی جهت شناسایی نشت گفت: «تاکنون و به‌صورت سنتی از پروب‌های FID (Flame Ionization Detector) برای شناسایی گاز استفاده می‌‌شده است، این پروب از شعله گاز هیدروژن استفاده می‌کند، بنابراین حمل کپسول خطرناک هیدروژن همراه پروب الزامی است. از طرفی وجود شعله و فندک برای ایجاد احتراق در پروب، در مناطقی با نشت بزرگ خطر انفجار را دربر دارد. همچنین اگر از این پروب، به طور مثال برای شناسایی نشت در خطوط لوله گاز به‌صورت پیمایش بر روی گرده خاکی که لوله در زیر آن مدفون است استفاده شود، سرعت نشت‌یابی در حدود چند کیلومتر در روز خواهد بود. بنابراین در کشوری مانند ایران که هزاران کیلومتر خطوط لوله گاز دارد، ممکن است این امر منجر شود تا بازرسی‌های دوره‌ای معمولاً هر دو سال یک‌بار انجام شود که البته کافی نخواهد بود. اما استفاده از فناوری لیزر که قابلیت نصب بر روی بالگرد و یا پهپاد را دارد، سرعت نشت‌یابی را تا چند صد کیلومتر در روز افزایش می‌دهد».
دکتر قربان‌زاده با بیان اینکه فناوری لیزری برای شناسایی نشت، فناوری نسبتاً جدیدی است، عنوان کرد: «محصولات تجاری مربوط به این فناوری، حدود یک‌دهه است که به تدریج وارد بازار شده‌اند و باید گفت این فناوری، همچنان در حال بلوغ است و انتظار می‌رود که در آینده‌ای نزدیک جایگزین کلیه شیوه‌های سنتی شود. در این روش، از اسپکتروسکوپی جذبی برای شناسایی مولکول‌هایی همچون متان که مؤلفه اصلی گاز طبیعی است، استفاده می‌شود. برای این منظور یک لیزر که دارای خط طیفی بسیار باریکی حول خط جذبی مولکول مورد نظر است، مورد استفاده قرار می‌گیرد. به همین دلیل، این شیوه دارای گزینش‌پذیری (selectivity) حدود صددرصد است و هشدار اشتباه ناشی از تداخل با گازهای اتمسفر و محیطی به وجود نمی‌آید».
مسئول آزمایشگاه تحقیقات لیزری با اظهار اینکه گزینش‌پذیری صددرصد در سایر شیوه‌های شناسایی مولکولی به ندرت اتفاق می‌افتد، تصریح کرد: «حسن مهم دیگر اسپکتروسکوپی لیزری، قابلیت استفاده آن از راه دور است، به نحوی‌که شناسایی مولکولی از فاصله‌های کیلومتری و در بازه زمانی زیر ثانیه اکنون عملی شده است. این شیوه برای هر مولکول دلخواهی که لیزری تجاری برای خط و یا خطوط جذبی آن مولکول وجود داشته باشد، عملی است. از این‌رو، هیدروکربن‌ها و یا گازهایی همچون منوکسید کربن، سولفید هیدروژن و طیف وسیع دیگری از مولکول‌ها به شیوه اسپکتروسکوپی لیزری قابلیت شناسایی دارند».
وی در ادامه سخنان خود خاطرنشان کرد: «حتی اگر از آشکارسازهای لیزری به‌صورت موضعی (نه از راه دور) نیز استفاده شود، باز مزیت‌های اساسی نسبت به پروب‌های سنتی دارد که گزینش‌پذیری صددرصدی، وزن سبک و کم خطر بودن و سرعت بالای شناسایی از جمله آنهاست. به همین دلیل، شرکت‌های داخلی به سمت استفاده از پروب‌های لیزری روی آورده‌اند که می‌توان به‌عنوان مثال از اعلام نیاز یکی از شرکت‌های گاز استانی نام برد که نیاز به حدود ۲۰۰ دستگاه از این نوع پروب‌ها دارد که به خاطر تحریم‌ها نتوانسته‌اند از شرکت‌های وارد کننده تأمین کنند. بنابراین، بازار این محصولات در داخل کشور در حال گسترش است».
به گفته دکتر قربان‌زاده در راستای رفع نیاز صنعت، آزمایشگاه تحقیقاتی لیزر دانشکده فیزیک دانشگاه تهران در چند سال اخیر بر روی ساخت و توسعه سامانه شناسایی گاز به شیوه «اسپکتروسکوپی جذبی لیزری» متمرکز بوده است. در این زمینه، آزمایشگاه تحقیقاتی لیزر موفق به عقد دو قرارداد با شرکت ملی گاز و یا شرکت‌های گاز استانی شده است که تاکنون خروجی آن ساخت «سامانه صنعتی شناسایی از راه دور لیزری نشت» بوده است.
دانشیار دانشکده فیزیک پردیس علوم افزود: «این سامانه در خطوط لوله گاز و از برد خودرو در حال حرکت در امتداد گرده خاکی لوله گاز، تست شد که توانست نشت متداول و ایجاد شده به‌صورت مصنوعی را با سیگنال به نویز خوب شناسایی کند. هر چند در شناسایی چند نشت خفیف‌تر موفق عمل نکرد که علت آن عدم نشانه‌گیری مناسب لیزر و وزش باد ملایم در آن روز، ارزیابی شد. به همین جهت، تصمیم گرفتیم تا حساسیت سامانه را به حدی افزایش دهیم تا حتی با وجود تابش لیزر به اطراف ابر نشت، شناسایی صورت گیرد. بر این اساس، با حمایت ستاد فوتونیک، لیزر و مواد پیشرفته معاونت علمی و فناوری ریاست جمهوری ما موفق به افزایش حساسیت این سامانه شدیم که در تست فضای باز موفق‌تر از گذشته عمل کرد».
مسئول آزمایشگاه تحقیقات لیزری با بیان اینکه حداقل غلظت قابل شناسایی در این محصول به حدود ۵۰ پی پی ام متر و از فاصله ۳۰ متری در بازه زمانی اندازه‌گیری دهم ثانیه کاهش پیدا کرده، گفت: «معنی این عدد این است که اگر ابر نشت یک کره‌ای به شعاع ده متر تصور شود، ما می‌توانیم غلظتی در ابعاد ۵ پی پی ام از گاز متان را در این ابر از فاصله دور شناسایی کنیم. در عمل، ابر نشت به مفهوم کره در کاربردهای واقعی مثل نشت از خطوط لوله‌های پر فشار و نفوذ آن به سطح خاک، وجود ندارد. نتایج تجربی و شبیه‌سازی نشان می‌دهد که در حضور باد ملایم، ابر نشت به‌صورت لایه نازکی بر روی سطح خاک با ضخامت چند سانتیمتر گسترش می‌یابد که شناسایی آن را دشوار می‌سازد، البته در هوای سکون ابر نشت بزرگ‌تری تشکیل می‌شود».
دکتر قربان‌زاده در بخش دیگری از سخنان خود به تبیین رویکردهای اتخاذ شده جهت ارتقای این دستاورد پرداخت و اظهار کرد: «در گام بعدی تصمیم داریم تا در نسل جدیدتر محصول، افزایش حساسیت و کاهش حجم و وزن نمونه صنعتی را دنبال کنیم. در زمینه نشت‌یابی با لیزر می‌توانیم ادعا کنیم که دانشکده فیزیک دانشگاه تهران در کشور پیشرو محسوب می‌شود و ما امیدواریم بتوانیم در آینده محصولات دیگری برای شناسایی گازها که مورد نیاز صنایع مختلف هستند نیز معرفی کنیم. به‌عنوان مثال، اندازه‌گیری غلظت‌های در حد ppb (به‌صورت موضعی) مورد نیاز چند صنعت خاص است که خوشبختانه آزمایشگاه تحقیقاتی لیزر در این زمینه تجربه دارد».
دانشیار دانشکده فیزیک پردیس علوم تصریح کرد: «می‌توان به همکاری مشترک این آزمایشگاه و آزمایشگاه دیگری در هلند اشاره کرد که حاصل آن توسعه یک پروب موضعی برای شناسایی منوکسیدکربن با قابلت شناسایی غلظتی نزدیک به ppb 2 در بازدم تنفس انسان توسط اسپکتروسکپی جذبی، بوده است. وجود منوکسیدکربن در تنفس را می‌توان به‌عنوان یک شناساگر بیولوژیکی (bio-marker) در بیمارانی که هموگلوبین آنها تجزیه می‌شود، به شمار آورد. شناساگرهای بیولوژیکی دیگری همچون اتیلن و سایر گازها نیز مطرح هستند که پروب‌های لیزری را به‌عنوان ابزارهای شناساگر (diagnostic) جدیدی در تشخیص و شناسایی سریع (در حد ثانیه) بیماری‌ها مطرح می‌سازد».
وی با عنوان اینکه حوزه شناسایی از راه دور مولکولی توسط لیزرها، تنها به شناسایی نشت خلاصه نمی‌شود و دارای کاربردهای بسیار گسترده است، بیان کرد: «در سال‌های اخیر، شناسایی مواد مخدر و مواد منفجره از راه دور و به شکل نامحسوس توسط اسپکتروسکوپی رامان لیزری، گزارش شده‌اند. فشار بخار این مواد در شرایط متعارف پایین است، ولی به لطف توسعه لیزرهایی با خصوصیات طیفی مناسب و همچنین توسعه آشکارسازهای بسیار حساس توسط فیزیکدانان و مهندسان، شناسایی برخی از این مواد حتی از فاصله کیلومتری میسر شده است. هیچ بعید نیست که در آینده‌ای نه چندان دور تنها با مورد تابش قرار دادن یک فرد و شناسایی بایو مارکرها، بتوان در کسری از ثانیه خصوصیات فردی و بیماری‌های او را شناسایی کرد».
دکتر قربان‌زاده در پایان سخنان خود خاطرنشان کرد: «به دلیل اهمیت این حوزه، سایر مراکز پژوهشی در کشور نیز شروع به تحقیقاتی در این زمینه کرده‌اند. امیدوارم کشور ما نیز در حوزه شناسایی لیزری جایگاه مناسبی را کسب کند و بتواند نیازهای مورد نیاز صنایع که توسط این فناوری تأمین می‌شود را مرتفع سازد».