地球環境研究助成04-01

赤外線カメラを用いた二酸化炭素ガス排出「見える化」技術の開発

代表研究者 国立研究開発法人　物質・材料研究機構・上席研究員 宮崎　英樹

【 研究目的 】

本研究では、申請者独自のCO2を可視化する単一波長赤外線カメラを用い、CO2の漏洩箇所を発見したり、排出されたCO2の濃度、排出量、排出速度を画像から計測する技術を開発することを目的とした。遠方からの観察により画像として大気中へのCO2の排出を「見える化」する本手法は、到来するカーボンニュートラル社会を支える重要な技術的インフラとなる。

【 研究方法 】

実験と理論の両面からCO2排出量定量計測アルゴリズムを構築した。具体的には、申請者独自のCO2可視化カメラを核とし、任意の濃度・流速・流量・温度でCO2を吐出できるガス供給システム、低温域から高温域まで任意の温度の背景光照射を実現できる平面型黒体光源を用いた系統的な実験を推進した。一方で、輻射輸送方程式および連続の式に基づいた理論的検討を進めた。

ページトップへ 【 研究成果 】

系統的な観察により、CO2可視化カメラでは、ガスと背景の温度が3℃以上異なっていれば、1.5〜3 ppm mという微量のCO2の漏洩を検出できることを明らかにした。また、排出源を囲むように閉曲線を設定し、連続の式に基づいて、調整パラメータなしにCO2ガス排出量を計測するアルゴリズムを構築した。そこで必要な柱密度は、輻射輸送方程式に基づいて、CO2の有無による輝度変化と、CO2可視化カメラの諸特性（感度スペクトル、それとCO2吸収スペクトルとの関係、CO2柱密度と吸収率の関係、対象物温度とカメラ輝度の関係）を詳細に求めておくことにより決定した。その際には背景とガスの温度情報が必要であるが、背景に光源を置き、ガスが見えなくなる時の光源の温度としてガスの温度を光学的に計測する方法を考案した（特許出願中）。また、連続の式の適用に必要な流速ベクトルは、オプティカルフロー計算により求めた。構築したアルゴリズムにより、既知の排出量の映像から妥当な排出量が算出できることを確認した。同じアルゴリズムが様々なCO2排出映像に適用できるので、現在、多様な事例への適用例を集積し、より詳細な定量的な評価を進めている。

ページトップへ 【 まとめ 】

CO2可視化カメラにより、定量的にどの程度の微量なCO2の漏洩が検知できるかを明らかにし、さらに、画像から調整パラメータなしにCO2排出量を計測できるアルゴリズムの構築に成功した。その成果を応用物理学会にて発表予定である。また、論文投稿の準備を進めている。

ページトップへ 【 地球環境保全・温暖化防止への貢献 】

遠方から観察するだけでCO2の漏洩検知や排出量の計測を可能とする本技術は、CO2回収・貯留における監視の他、今は数にも入っていないような排出源を見える化し、草の根のCO2削減に貢献することが期待される。また、高品質なカーボンクレジットの市場への提供にも貢献しうる。

ページトップへ 【 主な成果発表 】

(1) 宮崎英樹, 笠谷岳士, 木本一也, 對木雄太朗, 豊島慶大, 齋藤正浩, 落合哲行, "狭帯域赤外カメラを用いた二酸化炭素ガス排出量の計測", 2025年第72回応用物理学会春季学術講演会, 14a-K304-7, 発表予定 (野田・東京理科大学, 2025.03.14).