上週，唐納德·特朗普總統釋出了一項行政命令，旨在讓國家從應對氣候變化的行動中退步。其中一個目標是美國環境保護署和土地管理局在奧巴馬政府時期制定的甲烷排放法規。這些規則要求石油和天然氣行業控制其運營中的甲烷排放，甲烷是一種強效溫室氣體。特朗普的命令指示各機構重新考慮這些規則，並可能重寫或完全廢除它們。
儘管特朗普總統釋出了宣告，但城市、州和企業仍然希望阻止整個行業的甲烷洩漏，因為甲烷氣體加劇全球變暖，洩漏會降低收入。這就是為什麼研究人員正在開發他們認為可能有所幫助的技術：一種微型晶片，用於持續監測甲烷排放。
儘管美國排放的甲烷遠少於二氧化碳，但前者在100年期間每磅的溫室效應潛能是後者的25倍。石油和天然氣生產商排放的這種氣體比美國任何其他工業活動都多，其中很大一部分來自井場等場所裝置的洩漏，這些場所是鑽探和開採的地點。如今，該行業使用一種昂貴且效率低下的方法來監測洩漏：紅外攝像機，其成本為85,000美元至125,000美元，並且需要人工操作員。這意味著公司必須派人手動掃描裝置以查詢逸出的氣體。“這些攝像機很昂貴，做一個井場需要一到兩個小時，一個壓縮站需要四到六個小時，一個加工廠可能需要整整一天，”西南能源公司企業環境專案主管道格·喬丹解釋說。“這非常耗費資源。” 公司通常只每季度或每年進行一次這些檢查。例如，如果一件裝置在調查後立即開始洩漏，則可能會在數月內未被發現。此外，攝像機可能只對較大的洩漏足夠敏感，可能會遺漏較小的洩漏。
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IBM的科學家和工程師與哈佛大學和普林斯頓大學的研究人員合作，設計了一種微型感測器晶片——尺寸約為五毫米乘五毫米——可以持續監測甲烷。該感測器安裝在一個小型矽晶圓上，包含一個雷射器和一根矽光纜，雷射透過光纜傳輸。* 部分光線會從光纜外部照射到空氣中；當甲烷分子漂浮在感測器上方時，它們會吸收特定波長的光，從而產生獨特的特徵訊號。“我們的方法旨在檢測光吸收的微小變化，”IBM矽整合奈米光子學組經理威廉·格林解釋說。該資訊被反饋到晶片上的光電探測器，光電探測器將特徵訊號轉換為電訊號。“我們繪製出吸收圖，並計算出那裡有多少甲烷，”格林說。
石油和天然氣公司會將少量這些感測器嵌入到井場或壓縮站周圍的各個位置，間隔從10到100英尺不等。整個系統是無線的，這至關重要，因為石油和天然氣站點通常地處偏遠。當持續監測環境的晶片識別出洩漏時，它們會自動將資料傳送到IBM的雲端計算機。計算機依靠IBM目前正在開發的物理模型，這些模型結合了風湍流、溼度、海拔和溫度等複雜動態，以確定甲烷的來源。該系統最終還將整合機器學習，以幫助改進建模。
一旦IBM的模型確定了洩漏源，公司就可以立即派人去修理。“其中一個優勢是，您可以即時收到警報，並且它會被時間戳記錄並進行地理位置識別，”IBM認知物聯網系統和技術經理諾瑪·索薩解釋說。為了使系統更加自主和免維護，感測器系統可以使用太陽能供電。這項研究是美國能源部高階研究計劃署–能源部（ARPA–E）資助的計劃的一部分。
市場上已經存在一些用於甲烷檢測的商業工具。這些工具包括石油和天然氣行業使用的紅外攝像機，以及依賴於與IBM使用的雷射光吸收技術相同的獨立感測器——儘管IBM晶片及其智慧系統的設計和組成是獨一無二的。此外，格林說，目前市場上的甲烷感測器非常昂貴、體積龐大且需要大量電力。“無法想象部署[這些]感測器網路，更不用說在每個井場部署一臺這樣的儀器進行持續監測，”他解釋說。“成本太高了。” IBM已將其新型甲烷感測器設計為低成本——目標是每個晶片200美元。這意味著石油和天然氣公司可以在任何需要的地方安裝大量這些感測器。“這種新型晶片級感測器真的很有趣，”科羅拉多州立大學電力系統實驗室主任兼其甲烷排放測試和評估中心的首席研究員丹尼爾·齊默爾勒說。“它未經測試，但它推動了價格的降低。”
IBM目前正在內部測試其感測器，並計劃今年夏天在科羅拉多州測試其資料模型和相關元件。它還在與西南能源公司至少一個井場站點進行試點測試的討論。IBM還設想了這項技術的其他可能性。該公司表示，其感測器有一天可以監測車輛尾氣汙染物或水汙染物，檢測火山周圍的化學變化，甚至分析某人的呼吸以尋找疾病生物標誌物。“那是對更遙遠未來的展望，”格林說。目前，研究人員將致力於應對氣候變化。
*編者注（4/7/17）：此句在釋出後進行了編輯。原文錯誤地將電纜識別為玻璃而不是矽光學。