Zwarte koolstof, algemeen bekend als roet, levert een belangrijke bijdrage aan de opwarming van de aarde en is sterk verbonden met ongunstige gezondheidsresultaten. Geproduceerd door de onvolledige verbranding van brandstoffen - uitgestoten door grote vrachtwagens, treinen, en zeeschepen - het is een luchtverontreinigende stof die met name zorgwekkend is voor inwoners van stedelijke gebieden. Sensoren die tegenwoordig op de markt verkrijgbaar zijn, zijn duur, waardoor zwarte koolstof moeilijk te volgen is.

Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (Berkeley Lab), in samenwerking met UC Berkeley, hebben een nieuw type sensornetwerk ontwikkeld dat veel betaalbaarder is en toch in staat is om dit fijnstof te volgen. Met meer dan 100 op maat gemaakte sensoren die gedurende 100 dagen in West Oakland zijn geïnstalleerd, het team creëerde het grootste monitoringnetwerk voor zwarte koolstof dat in één stad kan worden ingezet.

Een volledige beschrijving van het 100×100 luchtkwaliteitsnetwerk is gepubliceerd in het tijdschrift Milieuwetenschap en -technologie .

Een nieuwe technologie genereren om luchtvervuiling te monitoren

Het project werd gelanceerd om een ​​hardnekkig probleem in de gemeenschap aan te pakken:de behoefte aan betere instrumenten om zwarte koolstof in tijd en ruimte te monitoren. Voortbouwend op eerder onderzoek bij Berkeley Lab, het team ging deze uitdaging aan door de Aerosol Black Carbon Detector (ABCD) te bouwen. "We hebben een technologie ontwikkeld die niet bestond om dit onzichtbare probleem zichtbaar te maken, " zei Thomas Kirchstetter, die de afdeling Energieanalyse en Milieueffecten bij Berkeley Lab leidt, en is een adjunct-hoogleraar civiele en milieutechniek aan UC Berkeley.

Klein en goedkoop, de ABCD is een compacte luchtkwaliteitsmonitor die de concentratie zwarte koolstof in een luchtmonster kan meten. "We moesten een sensor maken die even nauwkeurig was als hoogwaardige, dure instrumentatie, maar zo laag in prijs dat we er 100 over de hele gemeenschap kunnen verspreiden, ", aldus Kirchstetter. Dankzij ontwerpinnovaties die co-auteur Julien Caubel ontwikkelde tijdens zijn promotieonderzoek, die de sensoren helpen om veranderingen in temperatuur en vochtigheid te weerstaan, de ABCD kan betrouwbare gegevens produceren wanneer deze voor langere tijd buiten wordt gelaten. De materialen voor elke ABCD kosten minder dan $ 500. In vergelijking, in de handel verkrijgbare instrumenten die zwarte koolstof meten kosten vele duizenden dollars.

Een goed gedistribueerd netwerk

De vloot van sensoren werd ingezet in heel West Oakland, een woonwijk van vijftien vierkante kilometer voor gemengd gebruik, omringd door snelwegen en beïnvloed door emissies van de haven van Oakland en andere industriële activiteiten. Er zijn zes landgebruikscategorieën aangewezen voor sensorplaatsing:bovenwinds, residentieel, industrieel, nabij snelweg, vrachtwagen route, en havenlocaties. "Het was belangrijk om een ​​goed gedistribueerd netwerk over de buurt op te bouwen om vervuilingspatronen vast te leggen, " zei co-auteur Chelsea Preble, een Berkeley Lab-filiaal en postdoctoraal onderzoeker aan UC Berkeley. Door een samenwerking met het West Oakland Environmental Indicators Project (WOEIP), Milieudefensiefonds, Bay Area Air Quality Management District, en de haven van Oakland, de wetenschappers rekruteerden leden van de gemeenschap die bereid waren de zwarte koolstofsensoren buiten hun huizen en bedrijven te hosten. "Onze samenwerking met WOEIP, in het bijzonder werken met mevrouw Margaret Gordon en Brian Beveridge, essentieel was voor het slagen van het onderzoek, ' zei Preble.

Om de afzonderlijke sensoren in realtime te volgen, inclusief hun operationele status, en meet metingen, coauteur Troy Cados bouwde een aangepaste website en database. Elk uur, de apparaten stuurden zwarte koolstofconcentraties naar de database met behulp van 2G, het mobiele draadloze netwerk. De studie leverde ongeveer 22 miljoen gegevensregels op, inzichten opleveren over de aard van luchtverontreiniging op lokale schaal. Nu beschikbaar om te downloaden, de gegevens worden ook gebruikt door medewerkers van UC Berkeley, het Bay Area Air Quality Management District, en andere instellingen om de modelleringsinstrumenten voor luchtverontreiniging te verbeteren.

Onzichtbare verontreinigende stoffen omzetten in gegevens

Hoe werkten deze apparaten? De ABCD trok lucht door een wit filter, waar zwarte koolstofdeeltjes werden afgezet. Optische componenten in de sensor hebben periodiek de hoeveelheid licht gemeten die door het verduisteringsfilter wordt doorgelaten. De zwarte koolstofconcentratie in de lucht was gebaseerd op hoeveel het filter in de loop van de tijd donkerder was geworden. Deze techniek, enkele decennia geleden ontwikkeld door Berkeley Lab en nu in de handel verkrijgbaar, diende als basis voor de innovaties in dit onderzoek.

In West-Oakland, de onderzoekers ontdekten dat zwarte koolstof sterk varieerde over afstanden van slechts 100 meter en een tijdspanne van slechts een uur. De hoogste en meest variabele niveaus werden geassocieerd met vrachtwagenactiviteit langs Maritime Street, meestal laag in de vroege ochtenduren toen de haven van Oakland gesloten was en piekte bij de start van de activiteiten, rond acht uur 's ochtends. De laagste zwarte koolstofconcentraties in het studiegebied werden op zondag geregistreerd, wanneer de vrachtwagenactiviteit doorgaans het laagst is, en op plaatsen tegen de wind in de buurt van de baai, ten westen van de snelwegen en de industriële activiteit van de stad. De meeste sensoren waren in staat voldoende gegevens te verzamelen om vervuilingspatronen vast te stellen tijdens de eerste 30 dagen van het onderzoek, wat suggereert dat soortgelijke - en kortere - onderzoeken andere gemeenschappen waardevolle informatie over hun luchtkwaliteit zouden kunnen bieden.

Samenwerken met gemeenschappen om de wetenschap van monitoring te bevorderen

"Dit onderzoek is een voorbeeld van hoe een nationaal laboratorium een ​​betekenisvolle impact kan hebben door samen te werken met gemeenschappen, " zei Kirchstetter. "We hebben gewerkt aan een oplossing voor een probleem dat ze al lang hebben en hebben gegevens verstrekt die beschrijven hoe de vervuiling in de buurt varieert, die kunnen worden gebruikt om te pleiten voor schonere lucht, " zei hij. Het team werkt momenteel aan het verbeteren van deze technologie, robuuster en gebruiksvriendelijker, zodat deze voor langere tijd op andere locaties kan worden ingezet.

"We zijn al lang betrokken bij het genereren van technologieën voor het detecteren van luchtvervuiling, " zei Kirchstetter, wiens mentor, Tica Novakov, begon het veld van onderzoek naar zwarte koolstof en was een inspiratie voor dit werk. "Berkeley Lab heeft experts in luchtkwaliteit en materiaalwetenschappen, en kan de wetenschap van sensoren bevorderen om deze weg voorwaarts voort te zetten, " zei hij. Sinds de voltooiing van het project, Cados en Caubel hebben een start-up opgericht om deze technieken te ontwikkelen en beter beschikbaar te maken.