Waterstofsensoren voor toepassingen bij temperaturen onder het vriespunt

Het flow control system/debietregelsysteem dat in de experimentele opstelling wordt gebruikt, zorgt voor een nauwkeurige regeling van de waterstofconcentratie tijdens het testen van de sensoren. Dit systeem speelt een rol bij het handhaven van gecontroleerde gasstroomcondities, waardoor de prestaties van de optische waterstofsensoren bij temperaturen onder nul nauwkeurig geëvalueerd kunnen worden.

In het geval van waterstofvliegtuigen zijn er op verschillende locaties sensoren nodig om waterstoflekkages te detecteren, zodat het vliegtuig veilig kan werken. Denk aan de omgeving van waterstofopslagtanks, motoren, maar ook langs waterstofleidingen. Op deze locaties kunnen de temperaturen tijdens de vlucht dalen tot wel -60 °C.

Het materiaal maakt het mogelijk
Volgens de wetenschappers zit de truc achter de sensor in de materialen waaruit de sensor is opgebouwd. Deze materialen, metaalhydriden met een dikte van minder dan 100 nm, kunnen waterstof omkeerbaar absorberen wanneer het aanwezig is in de omgeving. Hierdoor veranderen de optische eigenschappen van het materiaal. Als we deze relatie kennen, kan de grootte van bijvoorbeeld de verandering van de optische transmissie van het materiaal direct worden vertaald naar de waterstofconcentratie in de omgeving van de sensor.
Lars Bannenberg: “Dit klinkt heel eenvoudig, maar het ontwikkelen van zo’n materiaal is hard werken. Er worden veel eisen gesteld aan de materialen en het feit dat materialen met een dergelijke dikte zich heel anders gedragen dan wat we gewend zijn, voegt nog een extra niveau van complexiteit toe. Een van de belangrijkste vereisten is de reactietijd van de sensor, die zeker niet meer dan 10s mag bedragen en idealiter niet meer dan 1s.”

Visvriezer ingezet
De uitdaging van waterstofdetectie bij lage temperaturen is dat processen zoals moleculaire waterstofdissociatie en -diffusie aanzienlijk vertragen, waardoor de reactietijd van de sensor langer wordt. Het is moeilijk om een opstelling te maken waarin we de materialen voor een sensor kunnen testen: we moeten een goed gedefinieerd lek van een specifieke waterstofconcentratie introduceren in een omgeving bij -60 °C. Hiervoor moesten we een experimentele opstelling vanaf nul ontwerpen. Dit bleek een hele uitdaging te zijn, vooral omdat de toeleveringsketens verstoord waren door de wereldwijde pandemie. Omdat bijvoorbeeld alle vriezers in laboratoria uitverkocht waren en gebruikt werden voor de opslag van vaccins, moesten we creatief zijn in het vinden van oplossingen. We gebruikten onderdelen van allerlei leveranciers, waaronder bouwmarkten en een vriezer die oorspronkelijk was ontworpen voor de opslag van tonijn. Deze vriezer werd volledig omgebouwd en diende als de ruggengraat van dit onderzoek.

Eerste resultaten en vervolg
Het nieuwe aan het werk dat gepubliceerd is in Advanced Functional Material Optical Hydrogen Sensing Materials for Applications at Sub-Zero Temperatures is dat het de eerste keer is dat er aangetoond wordt dat deze optische waterstofsensoren werken bij temperaturen van wel -60°C. Dit was vooral een van de uitdagingen waar Ziqing Yuan voor staat in haar PhD-project: het vinden van het juiste materiaal. De door de TU Delft gepatenteerde waterstofsensormaterialen, die op tantaal gebaseerd zijn, bieden voldoende grote veranderingen van de optische eigenschappen om zelfs bij lage temperaturen als sensormateriaal te kunnen worden gebruikt. Bovendien toonde ze reactietijden onder de 10 s-grens aan. Verrassend genoeg toont haar precieze analyse aan dat deze respons niet werd beperkt door diffusie van de waterstofatomen binnen het materiaal, maar door dissociatie van het waterstofmolecuul aan de bovenkant van de sensor. Deze kennis biedt fundamentele inzichten in deze materialen en duidelijke aanwijzingen over hoe de eigenschappen nog verder verbeterd kunnen worden.

Lars Bannenberg: “De reis naar de perfecte waterstofsensor eindigt hier niet. Wetenschappers van de TU Delft werken aan de ontwikkeling van geavanceerde optische methoden om de sensoren te implementeren. Dit zou het mogelijk maken om met slechts één systeem informatie te verkrijgen over de waterstofconcentratie op meerdere posities in het vliegtuig. Bovendien gaan ze de sensor testen onder meer realistische omstandigheden. Met inbegrip van omgevingen waar ook gasvormige verontreinigende stoffen zoals CO aanwezig zijn, in omstandigheden met een hoge luchtvochtigheid zoals in de tropen, en in een reeks andere omstandigheden die worden geleverd door de testopstellingen van de partners in onze Europese projecten.”