Forskere anvender billige sensorer til at opdage og spore oprindelsen af ​​luftforurenende stoffer i Indien

Når som helst i Delhi, Indien, en beboer kan starte deres bil, frigive udstødning, der flyder ind i atmosfæren. I det nordvestlige Indien, en landmand kunne sætte ild til sin mark efter hvedehøsten for hurtigt at rydde den, frigiver røg, der vil blive båret af vinden. En lille familie kan brænde træ for at tænde deres komfur, frigiver sod til himlen. Delhi, en by, der har en befolkning på over 28 millioner indbyggere, myldrer med aktivitet på alle tider af døgnet. Og efterhånden som den vokser - vokser dens forurening også.

Forureningen, som nogle gange viser sig som tyk smog, luftvejssygdom, og sygdom, er i fokus for mange, der håber at identificere og eliminere dens kilder. Men for at gøre det præcist, forureningen skal spores af luftkvalitetsmonitorer af forskningskvalitet, der måler forurenende stoffer, herunder partikler, Svovldioxid, nitrogendioxid, ozon, og mere, som kan koste mere end hundredtusindvis af dollars.

Billige sensorer, som for nylig er begyndt at blive kommercialiseret, tilbyde videnskabsmænd, politiske beslutningstagere, og offentligheden mulighed for at opdage forurening uden høje omkostninger - men ikke uden nogle afvejninger. Jesse Kroll, en professor i MIT-afdelingerne for civil- og miljøteknik og kemiteknik, forsker i de instrumenter og metoder, der bruges til at udføre atmosfærisk kemiforskning. "Med hensyn til næsten alle målinger - præcision, nøjagtighed, følsomhed, forstyrrelser, drift, og så videre - de billige sensorer er langt fra, hvad forskningsudstyr kan levere, " siger han. "Dette er en stor begrænsning, men det er normalt ikke gjort klart af sensorproducenterne."

Som resultat, Kroll siger, brugen af ​​billige sensorer til at detektere forurening er fortsat dårligt karakteriseret. Men sensorernes lavere omkostninger, lavere energiforbrug, og mindre størrelser tilskynder deres adoption, så deres anvendelse er vokset betydeligt i løbet af de sidste par år i lande som Kina og Indien. "Brugen af ​​disse instrumenter overgår virkelig vores bestræbelser på at forstå, hvad deres data egentlig betyder, "Siger Kroll.

Udfordringen med at afklare og udvide mulighederne for lavprissensorer til forureningsdetektion inspirerede en nyligt offentliggjort undersøgelse ledet af Kroll og kandidatstuderende David Hagan, der sammenlignede ydeevnen af ​​lavprissensorer med udstyr af forskningskvalitet i Delhi – og fandt en ny enhedernes kapacitet.

På India Institute of Technologys Delhi-campus, forskningsmæssig instrumentering samplede allerede luften fra fjerde sal i en bygning i Hauz Khaz, oprettet og vedligeholdt af Kroll og Hagans samarbejdspartnere, Josh Apte og Lea Hildebrandt fra University of Texas i Austin. "Vi slog på muligheden for at kunne placere vores instrumenter med deres for at bevise, hvor godt vores kunne fungere, " siger Hagan. Men det var ikke let:I Delhi, han siger, niveauerne af partikler var så høje, at deres sensorer i begyndelsen let ville smutte, og sensorerne risikerede overophedning på varme dage. "At designe omkring det er en sjov ingeniørudfordring, " siger Hagan.

Efter at have overvundet disse udfordringer, lavprissensorer og monitorer af forskningsgrad kørte samtidigt over en periode på seks uger om vinteren 2018, prøveudtagning af luften fra fjerde sals altan i et laboratorium. Efter at have analyseret de registrerede data, forskerne fandt, at de billige sensorer, som målte både gasser og partikler, ikke kun fangede store billeder af luftkvalitet og forureningsniveauer, men også kunne bruges til at udlede kilderne til forurenende stoffer, selv dem, som sensorerne ikke kan registrere direkte.

Ved at anvende en type multivariat analyse kaldet ikke-negativ matrixfaktorisering, forskerne var i stand til at identificere, adskille, og udlede de kilder, der bidrog til det samlede signal, der blev detekteret af lavprissensorerne, og sammenlign disse resultater med de mere detaljerede målinger indsamlet af monitorerne i forskningsklasse.

Denne analyse afslørede, at det samlede signal består af en forbrændingsfaktor samt to andre faktorer, og var karakteriseret ved partiklerne målt fra luften. Forbrændingspartiklerne, som udgør en stor del af det samlede partikelstof, er for små til at blive registreret af sensorerne selv, men sensormålinger af andre co-emitterede forurenende stoffer, såsom kulilte, tillod dem alligevel at udledes.

"Disse billige sensorer kan bruges til mere end blot at lave rutinemæssige målinger, og kan faktisk bruges til at identificere forureningskilder, der kan føre til en bedre forståelse af, hvad vi indånder, " siger Hagan.

Endnu længere, dataene indsamlet af lavprissensorerne fangede nok information om Delhi-forurening i omgivelserne til, at forskerne kunne skelne mellem primære forureningskilder, eller direkte udsendte partikler, og sekundære kilder, de partikler, der dannes via kemiske reaktioner efter emission i atmosfæren.

Den slags information kan gøre det lettere at forstå, hvordan luftkvaliteten varierer rundt om i verden. "En af styrkerne ved lavprissensorer er, at de kan give information om luftkvalitet og forureningskilder på steder, der er undersøgt - og mange af disse steder, såsom byer i udviklingslandene, har en tendens til at have noget af den værste forurening i verden, "Siger Kroll.

"Ved hjælp af disse billige sensorer, vi kan virkelig forstå den rumlige og tidsmæssige heterogenitet af luftforurening og menneskelig eksponering, " siger Hagan. "Det er meget mere relevant for, hvordan folk rent faktisk lever deres liv."

Resultaterne har allerede inspireret fremtidige undersøgelser. "Dette er et afgørende første skridt i at forbedre luftkvaliteten i byerne, " siger Kroll. "Vi vil gerne se, om vi også kan udvide det til andre miljøer og andre typer forurening. Dette omfatter ikke kun andre forurenede byer, men også relativt rene, såsom Boston."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.