メタンリークを発見しコスト損失を避けるためにガス産業でLiDARが有用

October, 3, 2025, Cambridge--リンカーン研究所(Lincoln Laboratory)は、光増幅器技術を商業化のためにBridger Photonicsに移行し、米国のエネルギー安全保障と効率を強化した。

米国のエネルギー産業は毎年、天然ガス生産量の推定3%(収益10億ドル相当)をインフラの漏れにより失っている。目に見えない形で空中に逃げるこれらのメタンガスプルーム(plume)は、小型航空機で飛行する特殊なLiDARを使用して検出、画像化、測定できるようになった。

このLiDARは、モンタナ州ボーズマンに拠点を置くメタンセンシングの大手企業Bridger Photonicsの製品。MITリンカーン研究所は、既存のスラブ結合光導波路増幅器(SCOWA)技術を進化させることにより、システムの主要コンポーネントLiDARの光パワーアンプを開発した。メタン検知LiDARは、市場に出回っている他の空中リモートセンサよりも10〜50倍の能力を持っている。

「メタンをイメージングするためのこのドローン対応センサは、リンカーン研究所の技術が機能している好例であり、影響力のある商業用途と一致している」と、先端技術部門のJason PlantとともにSCOWA技術の先駆者となり、Bridger Photonicsと協力してその商業応用を可能にしたPaul Juodawlkisはコメントしている。

現在、この製品は、米国の天然ガス生産上位10社のうち9社を含め、広く採用されている。「ガスをパイプ内に保持することは誰にとっても良いことである。企業がガスを市場に投入し、安全性を向上させ、屋外を保護するのに役立つ」と、Bridgerの創設者兼最高イノベーション責任者Pete Roosは言う。「メタンの問題は、メタンが見えないことだ。リンカーン研究所で根本的な問題を解決した。」

レーザ光源の「奇跡」
2014年、エネルギー高等研究計画局(ARPA-E)は、メタン漏れを検出するための費用対効果が高く正確な方法を模索していた。可燃性が高く、強力な汚染物質であるメタンガス(天然ガスの主成分)は、広大で複雑なパイプラインネットワークを介して国内を移動する。BridgerはARPA-Eの呼びかけに応えて研究提案書を提出し、小型で高感度の航空LiDARを開発するための資金を授与された。

航空LiDARはレーザ光を地面に送り、センサに反射して戻ってくる光を測定する。このようなLiDARは、詳細な地形図を作成するためによく使用される。Bridgerのアイデアは、地形マッピングとガス測定を統合することだった。メタンは1.65µｍの赤外線波長の光を吸収する。その波長でレーザを操作すると、LiDARが目に見えないプルームを感知し、漏れ率を測定できるようになる。

「このレーザ光源は、正しく仕上げるのが最も難しい部品の1つだった。それはキーエレメントだ」とRoosは言う。同氏のチームは、有用な高度から動作するのに十分な1.65µｍの波長で十分に強力に放射できる特定の特性を備えたレーザ光源を必要としていた。Roosは、ARPA-Eプログラムマネージャがそれを成し遂げるには「奇跡」が必要だと言っていたことを思い出した。

相互のつながりを通じて、Bridgerはレーザ信号を光学的に増幅するためのリンカーン研究所の技術であるSCOWAを紹介された。BridgerがJuodawlkisとPlantに連絡したとき、彼らは10年間SCOWAに取り組んでいた。彼らは1.65µｍでSCOWAsを調査したことはなかったが、その波長で動作するように基礎技術を拡張できると考えた。リンカーン研究所は、1.65µｍのSCOWAを開発し、ガスマッピングLiDARシステムに組み込むためのプロトタイプユニットをBridgerに提供するためにARPA-Eの資金を受け取った。

「それはわれわれが必要としていたミラクルだった」(Roos)。

レーザイノベーションにおけるながねんの実績
リンカーン研究所(Lincoln Laboratory)は、長年、半導体レーザおよび光エミッタ技術のリーダーだった。1962年、この研究所はダイオードレーザを最初に実証した、これは現在では世界で最も広く使用されているレーザである。LasertronやTeraDiodeなどのいくつかのスピンアウト企業は、光ファイバ通信や金属切断アプリケーションなど、研究所のレーザ研究から生じたイノベーションを商品化している。

2000年代初頭、Juodawlkis、Plantは、LIDARや光通信を強化できる、安定した、強力で、明るいシングルモード半導体光増幅器の必要性を認識した。彼らは、スラブ結合光導波路レーザ(SCOWLs)に関する以前の研究を拡張することにより、SCOWA(スラブ結合光導波路増幅器)の概念を開発した。最初のSCOWAは、新しい技術のアイデアを育成すために研究・工学担当国防次官から提供されたR&D資金のプールである研究所の内部技術投資ポートフォリオの下で資金提供された。これらのアイデアは、多くの場合、スポンサー付きのプログラムに成熟したり、技術の商業化につながる。

「すぐに、これまでに実証されたものよりも10倍優れた半導体光増幅器を開発した」(Plant)。他の半導体光増幅器と同様に、SCOWAはレーザ光を半導体材料に導く。このプロセスにより、レーザ光が電子と相互作用すると光パワーが増加し、入力レーザと同じ波長の光子が放出される。SCOWAのユニークな導光設計により、はるかに高い出力に到達し、強力で効率的なビームを作り出すことができる。彼らはさ様々な波長のSCOWAsを実証し、その技術を国防総省のプロジェクトに適用された。

Bridger Photonicsがリンカーン研究所に連絡を取ったとき、このデバイスのこれまでで最も影響力のあるアプリケーションが登場した。ARPA-Eの資金提供と共同研究開発協定(CRADA)を通じて反復的に作業し、チームはBridgerのレーザ出力を10倍以上に向上させた。このパワーブーストにより、LiDARの航続距離を標高1,000フィート以上まで拡張可能になった。

「リンカーン研究所は、光増幅器の内部で何が起こっているかについてわかっていた。われわれの入力を受け取り、レシピを調整し、われわれにとって非常にうまく機能するデバイスを作ることができた」とRoosは話している。

Gas Mapping LiDARは2019年に商業的にリリースされた。同年、この製品はR&D Award00賞を受賞し、市場における革命的な進歩として認められた。

技術移転開始
現在、米国は世界最大の天然ガス供給国であり、メタンセンシング市場の成長を牽引している。Bridger Photonicsは、全国の顧客向けにガスマッピングLiDARを導入し、センサを飛行機やドローンに取り付け、ガスが抽出され、国中に配管され、企業や家庭に配送されるサプライチェーン全体にわたる漏れを特定している。顧客は、ガスインフラストラクチャの漏れを効率的に特定して修復するために、これらのスキャンからのデータを購入する。2025年1月、環境保護庁はこの技術に対して規制当局の承認を与えた。

Chevronのシェールとタイトな事業の社長Bruce Niemeyerによると、LiDAR機能は状況を一変させた。「このテクノロジーは、われわれがそれを確実に行っていることを保証するのに役立つ。他の商用プロバイダが発見できるよりも10倍小さい漏れを見つけることができる。」

リンカーン研究所では、研究者は国益のために新しいデバイスの革新を続けている。SCOWAは、研究所のマイクロシステムプロトタイピングファウンドリのツールキットに含まれる多くの技術の1つであり、間もなく新しい化合物半導体研究所(マイクロシステム統合施設)を含むように拡張される予定である。政府、産業界、学界は、政府が資金提供するプロジェクト、CRADA、テスト契約、その他のメカニズムを通じてこれらの施設にアクセスできる。

米国政府の指示により、同研究所はSCOWAとフォトニック集積回路プラットフォームを組み合わせた技術の業界移転パートナーも募集している。このようなプラットフォームは、量子コンピューティングやセンシングなどのアプリケーションを進歩させる可能性がある。