Detección rápida y fiable de gases traza mediante fotoacústica resonante
La medición precisa de gases traza desempeña un papel fundamental en la protección del clima, los procesos industriales y la seguridad de las infraestructuras críticas. Hasta ahora, esto requería equipos de gran tamaño y elevados costes. Al perfeccionar un método de medición ya conocido para adaptarlo al uso industrial, un equipo del Instituto Fraunhofer de Técnicas de Medición Física (IPM) ha logrado implementar una tecnología de sensores de gas de alta sensibilidad en un formato robusto y compacto, a una fracción del coste anterior. Sus esfuerzos han valido a los investigadores el Premio Joseph von Fraunhofer de 2026.
El efecto fotoacústico se conoce desde hace más de 150 años: los gases expuestos a la luz se calientan. La luz pulsada genera fluctuaciones periódicas de presión, es decir, ondas sonoras, cuyas frecuencias pueden asignarse de forma única a gases concretos. Este efecto fotoacústico constituye la base de un método de medición que es muy preciso incluso con bajas concentraciones de gas. A pesar de su alta sensibilidad, el método solo había tenido hasta ahora una aplicación muy limitada, principalmente porque depende de un resonador para la amplificación acústica. Este resonador es muy sensible incluso a los cambios más leves en la presión atmosférica, la temperatura o la tensión mecánica. Sin embargo, para garantizar una medición precisa es necesario que el sistema alcance exactamente la frecuencia de resonancia correcta.
Un diodo emisor de luz marca la diferencia
Es precisamente aquí donde el equipo dirigido por Christian Weber, Katrin Schmitt y Johannes Herbst, del Fraunhofer IPM, ha logrado ahora un gran avance. Los investigadores han desarrollado un principio de sensor que utiliza un pequeño diodo emisor de luz para determinar continuamente su propia frecuencia de resonancia y ajustar automáticamente la excitación óptica en consecuencia. Así, el equipo hizo de la necesidad una virtud: “La pared del sensor absorbe la radiación y genera una fuerte señal fotoacústica. Se pensaba que esto era un inconveniente, pero lo reconsideramos: ¡quizá sea una ventaja!”. “Ahora estamos utilizando esta pared en combinación con una segunda fuente de luz para medir rápidamente la frecuencia de resonancia”, explica Christian Weber, director de proyectos del grupo de Sistemas de Sensores Integrados del Fraunhofer IPM. De este modo, la amplificación resonante se mantiene estable en todo momento, incluso en condiciones variables. Al mismo tiempo, los requisitos mínimos de hardware permiten que los precios de los sensores sean aproximadamente una décima parte de los de los dispositivos convencionales.
Éxito en el lanzamiento al mercado con la detección de fugas
La primera aplicación importante demuestra el efecto de esta simplificación: Schütz Messtechnik ya está utilizando la tecnología para inspeccionar redes de gas natural. En este caso, es necesario detectar las fracciones más ínfimas de metano en el aire para identificar fugas en una fase temprana. “Las mediciones son ahora muy rápidas y precisas gracias al reducido volumen de la cámara de medición, de aproximadamente cuatro mililitros en lugar de los cuatro litros que se requerían anteriormente”, destaca Johannes Herbst, director de proyectos del grupo de Espectroscopia y Análisis de Procesos del Fraunhofer IPM. “Su pequeño tamaño también hace que estos sistemas sean significativamente más portátiles y versátiles”. Otro ámbito de aplicación: en los sistemas de alta tensión aislados con gas, la nueva tecnología de sensores permite, por primera vez, una monitorización continua e integrada de la calidad del gas aislante, un requisito previo clave para una supervisión fiable y una mayor seguridad operativa.
El innovador principio del sensor determina continuamente su propia frecuencia de resonancia y ajusta automáticamente la excitación óptica en consecuencia. Foto: Fraunhofer / Piotr Banczerowski.
Conocimientos especializados combinados para la transferencia de tecnología
Esta rápida comercialización ha sido posible gracias a la estrecha colaboración entre Christian Weber —galardonado recientemente con el Premio Hugo Geiger 2025 por su tesis doctoral sobre fotoacústica—, Katrin Schmitt, directora del grupo de Técnicas y Sistemas de Medición Térmica, y Johannes Herbst, quien aportó sus conocimientos en espectroscopia láser para facilitar la transferencia tecnológica. El equipo contó con el apoyo de numerosos colegas que contribuyeron en gran medida al éxito de la solución.
El galardonado principio del sensor sirve de ejemplo del impacto tecnológico de una investigación excelente. Katrin Schmitt se muestra satisfecha: “Siempre es estupendo poder mirar un producto terminado y decir: “Ahí hay una parte de Fraunhofer“. Los sensores de metano son solo el principio, ya que ya se vislumbran muchas otras aplicaciones de la fotoacústica resonante. Estas abarcan desde la monitorización de procesos industriales hasta la vigilancia medioambiental a lo largo de carreteras con mucho tráfico. Su funcionamiento robusto, selectivo y rentable confiere a esta tecnología el potencial de transformar de forma radical la detección de gases.
Premio Joseph von Fraunhofer
Desde 1978, la Fraunhofer-Gesellschaft concede anualmente el Premio Joseph von Fraunhofer a sus empleados por logros científicos destacados en el desarrollo de soluciones para problemas relacionados con aplicaciones prácticas. Este año se han otorgado tres premios, cada uno por valor de 50.000 euros, a grupos de investigadores de diferentes institutos.
