量子光源助攻 生質能回收更環保

在現代社會中，廢棄物往往被視為無用之物，直接焚燒處理。然而，這些廢棄物其實蘊藏著巨大的價值。若能以精密的控制方式進行回收，不僅可以產生熱能，更能將產生的氣體轉化為珍貴的化學原料，如氫氣、甲烷或甲醇。不過，這個氣體生產過程需要嚴密的監控與調節。

一直以來，氣化過程中產生的副產品——水蒸氣，都是個令人頭痛的問題。為了有效控制氣化過程，精確掌握產出氣體中的水含量至關重要。然而，傳統的測量方法難以準確偵測水含量。如今，維也納工業大學的製程工程與光子學團隊合作，利用一種特殊的光源——量子級聯鐳射器產生的太赫茲輻射，成功解決了這個難題。這項尖端量子技術，為環保的生質能回收提供了強力支援。相關研究成果已發表於《能源轉換與管理：X》期刊。

「許多產出氣體中的化學成分，都可以透過紅外線來偵測，」維也納工業大學化學、環境與生物工程研究所的Florian Müller解釋道。他目前正在參與CO2Refinery博士計畫，研究可再生碳系統。「不同的分子會吸收不同波長的紅外線。透過測量樣本吸收的波長，我們就能判斷其中是否含有特定物質。」

然而，這個方法對於水蒸氣這種對氣體生產過程至關重要的副產品，卻難以奏效。「當你將生質物轉化為氣體時，會得到一個複雜的混合氣體，其中不僅含有水蒸氣，還有多種碳氫化合物，」Müller指出。而其中有些物質吸收紅外線的頻率，正好與水分子相同。

這意味著我們無法確定究竟是哪種物質導致了吸收，因此也無法準確測定產出氣體中的水含量。雖然可以將氣體樣本冷卻後測量凝結的水量，但這個方法耗時費力。面對水濃度的波動，我們無法迅速做出反應，這使得高效運作變得困難重重。

與此同時，維也納工業大學光子學研究所的Michael Jaidl正在研究太赫茲範圍的鐳射束，也就是波長略長於目前常用於光譜測量的紅外線輻射。Jaidl和Müller是從學生時代就認識的老朋友，因此他們萌生了結合各自研究領域的想法。

Jaidl發現，太赫茲範圍記憶體在一些特定頻率，只會被水分子吸收，而不會被生質物氣化廠產出氣體中大量存在的其他物質吸收。因此，利用太赫茲輻射取代傳統的紅外線輻射，就能解決偵測水蒸氣的難題。

然而，產生太赫茲輻射並非易事。在維也納工業大學，研究團隊運用量子技術的巧妙方法，製造出量子級聯鐳射器——這是一種具有奈米級定製幾何結構的微型半導體，當施加電壓時，只會發射出特定波長的輻射。

雖然這種量子級聯鐳射器需要專門的冷卻系統，但兩位研究人員成功開發出一種緊湊便攜的裝置，能夠利用太赫茲光束可靠地測量高溫產出氣體中的水含量。

「我們這項方法的一個關鍵優勢在於，它能在廣泛的水蒸氣濃度和溫度範圍內提供可靠的結果，」Jaidl表示。「這是因為我們使用的太赫茲輻射特別容易被水蒸氣吸收——這讓我們可以使用更緊湊的裝置。另一個重要優勢是，緊湊的設計使得測量室內的溫度波動更小，從而降低了誤差的風險。」

這項新方法的有效性，已在維也納工業大學Getreidemarkt校區利用廢木材進行的氣體生產實驗中得到驗證。現在，兩位研究人員及其團隊希望進一步改進這項技術：一方面讓它更加便攜易用，另一方面探索是否可以利用太赫茲技術可靠地偵測產出氣體中的其他成分。