Afgelopen mei, Stadhuis van Parijs gelanceerd "Pollutrack", een vloot van microsensoren op de daken van voertuigen die door de hoofdstad rijden om in realtime het niveau van fijne deeltjes in de lucht te meten. Een jaar te vroeg, Rennes stelde voor om bewoners via individuele sensoren mee te laten doen aan de beoordeling van de luchtkwaliteit.

Voor meerdere jaren, hoge concentraties fijne deeltjes in Frankrijk zijn regelmatig waargenomen, en luchtvervuiling is een groot gezondheidsprobleem geworden. Elk jaar in Frankrijk, 48, 000 vroegtijdige sterfgevallen zijn gelinkt aan luchtvervuiling.

De winter van 2017 was een goed voorbeeld van dit fenomeen, met dagelijkse niveaus tot 100 µg/m ³ in bepaalde gebieden, en met omstandigheden die meerdere dagen stagneren als gevolg van de koude en anticyclonale weerpatronen.

Pollutrack:des capteurs de vervuiling sur des véhicules établissent une carte de la vervuiling à Paris https://t.co/dmlQJmdAWk pic.twitter.com/OfRT7QIni2

— Vivre Parijs (@vivreparis) 29 mei 2017

Een politieschets van het fijne deeltje

Een fijn deeltje (fijnstof, afgekort PM) wordt gekenmerkt door drie hoofdfactoren:de grootte, natuur en concentratie.

Zijn grootte, of liever de diameter, is een van de factoren die onze gezondheid beïnvloeden:de PM10 hebben een diameter van 2,5 tot 10 μm; PM2.5, een diameter kleiner dan 2,5 m. Ter vergelijking, een deeltje is ongeveer 10 tot 100 keer fijner dan een haar. En dit is het probleem:hoe kleiner de deeltjes die we inademen, hoe dieper ze de longen binnendringen, leidend tot een ontsteking van de longblaasjes, evenals het cardiovasculaire systeem.

De aard van deze fijne deeltjes is ook problematisch. Ze zijn samengesteld uit een mengsel van organische en minerale stoffen met verschillende mate van gevaar:water en koolstof vormen de basis waarrond sulfaten condenseren, nitraten, allergenen, zware metalen en andere koolwaterstoffen met bewezen kankerverwekkende eigenschappen.

Wat hun concentratie betreft, hoe groter het is in termen van massa, hoe groter het gezondheidsrisico. De Wereldgezondheidsorganisatie beveelt aan om de persoonlijke blootstelling van 25 μg/m . niet te overschrijden ³ voor de PM2.5 als 24-uurs gemiddelde en 50 μg/m ³ voor de PM10. In recente jaren, drempels voortdurend worden overschreden, vooral grote steden.

Niet alleen de mens wordt getroffen door het gevaar van deze fijne deeltjes:wanneer ze worden afgezet, ze dragen bij aan de verrijking van natuurlijke omgevingen, wat ook kan leiden tot eutrofiëring, een fenomeen waarbij overmatige hoeveelheden voedingsstoffen, zoals de stikstof die door de deeltjes wordt gedragen, worden afgezet in de bodem of het water. Dit kan leiden tot algenbloei die lokale ecosystemen kan verstikken. In aanvulling, door de chemische reactie van de stikstof met de omgeving, de eutrofiëring leidt doorgaans tot bodemverzuring. Grond die zuurder is, wordt drastisch minder vruchtbaar:vegetatie raakt uitgeput, en langzaam maar onverbiddelijk, soorten sterven af.

Waar komen ze vandaan?

De uitstoot van fijnstof is voornamelijk afkomstig van menselijke activiteiten:60% van PM10 en 40% van PM2.5 wordt gegenereerd door houtverbranding, vooral van open haard of kachel verwarming, 20% tot 30% is afkomstig van autobrandstof (diesel is nummer één). Eindelijk, bijna 19% van de nationale PM10-emissies, en 10% PM2,5-emissies zijn het gevolg van landbouwactiviteiten.

Om overheden te helpen deze emissies te beperken en te beheersen, de wetenschappelijke gemeenschap moet de identificatie en kwantificering van deze emissiebronnen verbeteren, en moeten een beter begrip krijgen van hun ruimtelijke en temporele variabiliteit.

Complexe en kostbare metingen

Vandaag, fijnstofmetingen zijn voornamelijk gebaseerd op twee technieken.

Eerst, monsters worden genomen uit filters; deze worden na een hele dag genomen en vervolgens geanalyseerd in een laboratorium. Afgezien van het feit dat de gegevens vertraagd zijn, de gebruikte analytische apparatuur is kostbaar en ingewikkeld in het gebruik; een bepaald niveau van expertise is vereist om de resultaten te interpreteren.

De andere techniek omvat het doen van metingen in realtime, met behulp van tools zoals de Multi-wavelength Aethalometer AE33, een apparaat dat relatief duur is, bij meer dan €30, 000, maar heeft het voordeel dat het elke minuut of zelfs minder dan een minuut meet. Het is ook in staat om black carbon (BC) te monitoren:het kan de deeltjes identificeren die specifiek afkomstig zijn van verbrandingsreacties. De aerosol chemische speciatiemonitor (ACSM) is ook het vermelden waard, omdat het het mogelijk maakt om de aard van de deeltjes te identificeren, en meet elke 30 minuten. Echter, de kosten van 150, 000 euro betekent dat de toegang tot dit type tool beperkt is tot laboratoriumexperts.

Gezien hun kosten en niveau van verfijning, er is een beperkt aantal sites in Frankrijk die met deze tools zijn uitgerust. Dankzij deze simulaties de analyse van daggemiddelden maakt het mogelijk om kaarten te maken met een raster van 50 km bij 50 km.

Aangezien deze meetmethoden het niet mogelijk maken om een ​​real-time kaart op te stellen met fijnere ruimte-tijdschalen – in termen van de km ² en minuten - de wetenschappers zijn onlangs begonnen met het zoeken naar nieuwe hulpmiddelen:microsensoren voor deeltjes.

Hoe werken microsensoren?

Klein, licht, draagbaar, goedkoop, makkelijk te gebruiken, connected… microsensoren lijken veel voordelen te bieden die een aanvulling vormen op de hierboven genoemde reeks zware analytische technieken.

Maar hoe geloofwaardig zijn deze nieuwe apparaten? Om deze vraag te beantwoorden, we moeten kijken naar hun fysieke en metrologische kenmerken.

Momenteel, verschillende fabrikanten strijden om de markt voor microsensoren:het Britse Alphasense, de Chinese Shinyei en de Amerikaanse fabrikant, Honingwel. Ze gebruiken allemaal dezelfde meetmethode:optische detectie met een laserdiode.

Het principe is eenvoudig:de lucht, opgezogen door de ventilator, stroomt door de detectiekamer, die is geconfigureerd om de grotere deeltjes te verwijderen, en behouden alleen de fijne deeltjes. De lucht, geladen met deeltjes, stroomt door het optische signaal uitgezonden door de laserdiode, waarvan de bundel wordt afgebogen door een lens.

Een fotodetector die tegenover de uitgezonden bundel is geplaatst, neemt af in helderheid veroorzaakt door de passerende deeltjes, en telt het aantal op groottebereiken. Het elektrische signaal van de fotodiode wordt vervolgens verzonden naar een microcontroller die de gegevens in realtime verwerkt:als de luchtstroomsnelheid bekend is, het concentratiegetal kan dan worden bepaald, en dan de massa, op basis van de groottebereiken, zoals te zien is in de onderstaande afbeelding.

Van de meest eenvoudige tot de volledig geïntegreerde versie (inclusief software voor acquisitie en gegevensverwerking, en meettransmissie via cloud computing), de prijs kan variëren van 20 tot 1, 000 euro voor de meest uitgebreide systemen. Dit is zeer betaalbaar, vergeleken met de hierboven genoemde technieken.

Kunnen we microsensoren vertrouwen?

Eerst, opgemerkt moet worden dat deze microsensoren geen informatie geven over de chemische samenstelling van de fijne deeltjes. Alleen de hierboven beschreven technieken kunnen dat. Echter, kennis van de aard van de deeltjes geeft informatie over hun bron.

Verder, het microsensorsysteem dat wordt gebruikt om deeltjes op grootte te scheiden, is vaak rudimentair; veldtesten hebben aangetoond dat hoewel de fijnste deeltjes (PM2,5) redelijk goed worden gecontroleerd, het is vaak moeilijk om alleen de PM10-fractie te extraheren. Echter, de fijnste deeltjes zijn precies wat onze gezondheid het meest aantast, dus deze tekortkoming is niet problematisch.

Wat de detectie-/kwantificeringslimieten betreft, als de sensoren nieuw zijn, het is mogelijk om redelijke drempels van ongeveer 10 µg/m . te bereiken ³ . Ze hebben ook gevoeligheidsniveaus tussen 2 en 3 µg/m ³ (met een onzekerheid van ongeveer 25%), wat meer dan voldoende is om de dynamiek te volgen van hoe de deeltjesconcentraties veranderen in het concentratiebereik tot 200 µg/m ³ .

Echter, overuren, de fluïdica en optische detectoren van deze systemen hebben de neiging verstopt te raken, leidt tot fouten in de resultaten. Microsensoren moeten daarom regelmatig worden gekalibreerd door ze te koppelen aan referentiegegevens, zoals de gegevens die zijn vrijgegeven door instanties voor de bestrijding van luchtverontreiniging.

Dit type hulpmiddel is daarom bij uitstek geschikt voor een onmiddellijke en semi-kwantitatieve diagnose. Het idee is niet om een ​​extreem nauwkeurige meting te geven, maar eerder om te rapporteren over de dynamische veranderingen in de luchtverontreiniging door deeltjes op een schaal met lage/gemiddelde/hoge niveaus. Vanwege de lage kosten van deze tools, ze kunnen in grote aantallen in het veld worden verspreid, en zo bijdragen aan een beter begrip van de uitstoot van fijnstof.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.