事実の海の底で

膨大な量のメタンガスが、世界中の海底や沿岸に閉じ込められています。世界中の科学者の関心事は、これらの発生源はどこにあり、温室効果ガスのどれくらいの割合が大気中に放出されているのかということです。アルフレッド・ヴェゲナー研究所ヘルムホルツ極地海洋研究センター（AWI）は、水中質量分析計を用いてこれらのメタン発生源を調査しています。INFICONのTranspector® CPMはこの計測システムで基本的な役割を果たしています。

メタン（CH4）はCO2の次に有害な温室効果ガスです。シベリアの永久凍土の融解や海洋のガスハイドレートの分解などの転換点効果によって、メタンがこれまで以上に高い濃度で大気中に放出されているため、その重要性はますます高まっています。

一方では、深層にあるメタンは石油化学の最終生成物です。ガス貯留層は多くの場合、石油鉱床の上に位置しています。メタンは、堆積物や海底の亀裂を通って地表に到達することもあります。

もう一つの海底メタン源は、水系の下層堆積物中の有機物の微生物分解から発生します。

気候変動が進むにつれて、温室効果ガスを貯蔵する海洋堆積物は温暖化し、過飽和状態になるにつれて無色・無臭のガスをますます放出するようになっています。したがって、水生系における濃度に関する重要な疑問は、「地球規模の炭素循環において、海底からどれだけのメタンが大気中に放出され、地球温暖化を加速しているのか」ということです。この疑問に答えるためには、海底メタンの発生源を詳細に分析する必要があります。

この目的には、水中質量分析計（UWMS）の現場使用が適しています。この方法は、活発なメタン漏れの位置特定と定量化に使用できます。この手法の主な利点は、高濃度での応答時間が非常に短いことと、溶存ガス濃度の測定率が他の手法の最大750倍であることです。この高いデータ密度により、メタン発生源の空間的・時間的マッピングをより正確に行うことができます。

UWMSは、サンプリング用の膜インレットシステムと、水溶性ガスと軽質炭化水素をオンラインでリアルタイムに測定するセンサーユニットから構成されています。センサーの中心は質量分析計です。AWIは長い間、水生システムのメタン沈殿の研究用UWMSとして、INFICONのTranspector® CPMを信頼してきました。その計測精度とスピードで、このシステムは水中質量分析計のデータ安定性と使いやすさに大きく貢献しています。

これは2022年12月、南大西洋のサウスジョージア群島付近で水中質量分析計を使ってメタンガス発生源を探査する極地調査・補給船ポーラースターンが最後に遠征したときも同じでした。この探検の年に就航40周年を迎えたドイツの砕氷船は、世界で最もパワフルな極地調査船のひとつ。ポーラシュテルンは、北極圏の氷1.5メートルを一定の速度で進むことができます。これは、世界で最もパワフルな極地調査船のひとつです。乗船：AWI海洋地球化学部門の科学者トルベン・ゲンツ博士とエンジニアのマルテ・ヘーン。

研究者は、UWMSが南極の端への輸送ダメージのため稼働していないことを報告しました。「私はINFICONのコンタクト先であるSteffen Tippmannに連絡を取り、とにかく調査を行うことにしました。船長が私たちのコンピュータの全データ量を流用した後、Steffen Tippmannは遠隔トラブルシューティングとシステムの再較正の後、装置を再び稼働させることができました。

「リモートメンテナンスはある時点までしか機能せず、その後はハードウェアにアクセスしなければなりません。しかし、AWIには賢い科学者だけでなく、熟練した技術者もいます。彼らは必要なハードウェアへの介入を成功させ、私たちは残りの作業を遠隔で完了させました」とSteffen Tippmann氏。

ジェンツ博士も、2006年からUWMSプロジェクトに積極的に参加しているため、このような迅速かつ献身的なサポートのありがたみをよく理解しています。 私たちは2005年からAWIでこの装置を使用しています。 購入の背景には、気候に関連したデータを収集するために使用できるプラットフォームを開発することがありました」と彼は振り返ります。現在使用されているシステムは、オリジナルの装置とはほとんど何の関係もありません。「唯一残っている基本コンポーネントは、INFICONのCPMだけです」とゲンツ博士は強調します。

「それ以来、常に最適化を図ってきました。卒業論文では、総流量中の水蒸気を95％まで除去できるクライオトラップを開発しました。ですから、検出限界はもはや100nmol/Lではなく、10nmol/L程度なのです」とゲンツ博士は強調する。とゲンツ博士は強調する。「つまり、この装置はこのような領域でも有効なデータを得るために使用できるということです。

その昔、漁師たちはメタンや二酸化炭素の放出ポイントがどこにあるかを知っていました。魚の群れはガスの泡が立ち昇る場所を好むからです」とトルベン・ゲンツ博士は説明します。エコー・サウンダー測定のような最新の方法を使えば、大陸の斜面など、世界中でますます多くのガス発生地点が発見されるようになりました。これらの測定装置は船の下に取り付けられ、海底を測定します。海底の極めて高解像度の測定には、測定技術が統合されたROVS（遠隔操作車）やAUVS（自律型海中ロボット）が使用されます。

ゲンツは、このプロジェクトと水中質量分析計の使用は成功であったが、常にさらなる開発が必要であると述べています。近年、私はマルテ・ヘーンと一緒にシステムを再び完全に作り直しましたが、その結果、作動深度を200メートルから3000メートルにまで向上させることができました。これを達成するために、この深度に適したチタン製の全く新しい圧力容器を製造し、サンプル注入システムを完全に再設計する必要がありました。

データを収集した後の仕事の分担は明確です。そのためには、まず私たちのシステムの助けを借りて、そこで何が起こっているのかを理解する必要があります" もちろん、これらの発見を次のステップでどうするかは全く別の問題です。このプロセスには、AWIの著名な研究者が多数関わっています。Gentz博士は、処理されたデータは最終的にIPCCの評価報告書などに反映されると指摘しています。

報告書は政治家などに提出されます。ドイツ経済専門家会議の報告書と同じように。「その後どうなるかは政治家次第です。科学者として、私たちはそこから解放されなければなりません」とゲンツ。科学者たちの動機は、地球の気候システムにおける海洋の役割を解明することです。「私たちは温室効果ガスであるメタンに焦点を当て、これらの関係を測定するための最良の方法を研究しています」。

コンパクトプロセスモニター(CPM)システムは半導体製造やSEMIセクターでプロセスモニタリングやコントロール、汚染モニタリングによく使用されています。FabGuard IPMソフトウェアと組み合わせることで、複雑なシステムソリューションが産業界で実現できます。CPMシステムは研究、化学、材料分析、物理学でも使用されています。クローズドイオンソースの利点はここで発揮されます。プロセス真空（プロセス圧力）またはオープンイオンソースよりもはるかに高い圧力で直接イオン化することができます。CPMに設置されているような差動ポンプシステムが前提条件となります。これは、大気圧から高真空までの幅広い分析圧力範囲をカバーするために使用できる、切り替え可能な可変インレットシステムによって補うことができます。

AWIのような特殊なアプリケーションでは、クローズドイオンソースの利点を生かし、プロセスガスはオープンイオンソースよりも高い圧力でイオン化されます。これにより、より高いイオン収率、より多くの荷電粒子を得ることができ、質量電荷比に応じて四重極で分離して表示することができます。その結果、研究またはプロセス制御において、より正確で詳細な分析結果が得られます。