センサー系スターアップのボールウェーブ（Ball Wave、仙台市）は2023年2月27日、JDRONE（東京・新宿）が運用するドローンに、ボールウェーブが開発した世界最小をうたうガス分析器（ガスクロマトグラフ）を搭載し、試験用プラントの煙突から放出されるガスの捕集と高感度な分析に成功したと発表した（図1）。「ドローンに搭載したガスクロマトグラフによる分析は世界初」（ボールウェーブ）で、プラントの管理や防災保安業務への適用可能性を実証したとしている。
一般に、化学プラントやエネルギープラントを安全で効率良く運転するには、頻繁な点検による管理が必要になる。ところが、点検箇所は高所だったり、高温または危険ガスが放出されている可能性があって人が近づけなかったりするため、点検作業に課題を抱えていた。
そこでボールウェーブとJDRONEは、ドローンにボールウェーブの超小型ガスクロマトグラフ「Sylph（シルフ)」を搭載することで、この課題解決に取り組んできた。通常、ガス分析に使われている装置は小型冷蔵庫ほどのサイズで、重さも40kg以上あるが、Sylphはそれと比較して検出感度は同等ながら、およそ1/20のサイズと消費電力を実現している（図2）。寸法は130mm×180mm×80mm、重さは1.25kgである。
Sylphは捕集したガスを「カラム」という部品で個々のガス成分に分離し、SAW（表面弾性波）センサーで検出する。SAWセンサーの感応膜に分子が吸着した際の表面弾性波の音速と減衰の変化を検出する。
ボールウェーブのコア技術は、球状のボールSAWセンサーにある。通常の平面型SAWセンサーでは感度もしくは応答速度が不十分で実用化が難しかったが、センサーを球体にすることでこの課題を解決した。球体の表面に特定の幅で表面弾性波が発生すると、その波は回折しないで直進し、球体の赤道周辺を多重周回する。例えば表面弾性波が球体を100周回ると、ガス分子を吸着した感応膜による微量な変化が周回ごとに積算されて100倍となる。そのため、ボール型は平面型に比べてはるかに高感度になるという（図3）。
今回はドローンに、JDRONEが運用する中国DJI製の「Matrice 300 RTK」を使った。最大ペイロードが2.7kgで、最大離陸重量が9kgの機体である。Sylphの本体重量は1.25kgだが、組み込みPCや通信機能、バッテリーを合わせると合計で2.4kgになる。それでも2.7kg以下なのでMatrice 300 RTKに搭載できるし、同機以外にもペイロード条件を満たす機体が複数あるという。一方、他社製の携帯用ガスクロマトグラフのシステムは5kg以上あるため、搭載できる機体はかなり特殊なものになる。
ドローンに搭載したガスクロマトグラフでガスを分析するには、ドローンのプロペラが発生する強い気流で捕集するガスが乱されないようにする工夫が必要だった。そこで、Sylphに長さ3mのCFRP（炭素繊維強化プラスチック）管で作製したサンプリング機構を接続した。CFRP管はドローンの足に2カ所で固定した。こうすることで気流の影響を低減するとともに、位置制御の精度を高めたという。
また、プラントの管理では短時間の分析が必要になる。そこで、ガスクロマトグラフ内で混合ガスから個々のガス成分に分離する金属ソレノイドカラムの長さを通常の30mから10mに変更し、分析時間を1/3に短縮した。
