Op elk moment in Delhi, Indië, een bewoner kan zijn auto starten, uitlaatgassen vrijgeven die in de atmosfeer drijven. In het noordwesten van India, een boer kan zijn veld in brand steken na de tarweoogst om het snel te ontruimen, rook vrijgeven die door de wind wordt meegevoerd. Een klein gezin zou hout kunnen verbranden om hun kachel aan te steken, roet in de lucht afgeven. Delhi, een stad met meer dan 28 miljoen inwoners, bruist van de activiteit op alle uren van de dag en nacht. En naarmate het groeit, neemt ook de vervuiling toe.

De vervuiling, die zich soms manifesteert als dikke smog, ziekte van de luchtwegen, en ziekte, is de focus van velen die hopen de bronnen te identificeren en te elimineren. Maar om dat nauwkeurig te doen, de vervuiling moet worden gevolgd door luchtkwaliteitsmonitors van onderzoekskwaliteit die verontreinigende stoffen meten, waaronder fijnstof, zwaveldioxide, stikstofdioxide, ozon, en meer, dat kan oplopen tot honderdduizenden dollars.

Goedkope sensoren, die onlangs op de markt zijn gebracht, bieden wetenschappers, beleidsmakers, en het publiek de mogelijkheid om vervuiling op te sporen zonder hoge overheadkosten, maar niet zonder een aantal afwegingen. Jesse Krol, een professor in de MIT-afdelingen van Civil and Environmental Engineering en Chemical Engineering, onderzoekt de instrumenten en methoden die worden gebruikt om atmosferisch chemisch onderzoek uit te voeren. "In termen van bijna elke meetstatistiek - precisie, nauwkeurigheid, gevoeligheid, interferenties, drift, enzovoort - de goedkope sensoren schieten ver achter bij wat apparatuur van onderzoekskwaliteit kan leveren, "zegt hij. "Dit is een grote beperking, maar het wordt meestal niet duidelijk gemaakt door de sensorfabrikanten."

Als resultaat, Krol zegt, het gebruik van goedkope sensoren om vervuiling te detecteren, blijft slecht gekarakteriseerd. Maar de lagere kosten van de sensoren, lager energieverbruik, en kleinere maten stimuleren hun adoptie, dus het gebruik ervan is de afgelopen jaren aanzienlijk uitgebreid in landen als China en India. "Het gebruik van deze instrumenten overtreft onze inspanningen om te begrijpen wat hun gegevens eigenlijk betekenen, ' zegt Krol.

De uitdaging om de mogelijkheden van goedkope sensoren voor het detecteren van vervuiling te verduidelijken en uit te breiden, vormde de inspiratie voor een recent gepubliceerd onderzoek onder leiding van Kroll en afgestudeerde student David Hagan, waarin de prestaties van goedkope sensoren werden vergeleken met apparatuur van onderzoekskwaliteit in Delhi. mogelijkheden van de apparaten.

Op de campus van het India Institute of Technology in Delhi, instrumentatie van onderzoekskwaliteit bemonsterde al de lucht vanaf de vierde verdieping van een gebouw in Hauz Khaz, opgezet en onderhouden door de medewerkers van Kroll en Hagan, Josh Apte en Lea Hildebrandt van de Universiteit van Texas in Austin. "We maakten van de gelegenheid gebruik om onze instrumenten samen met die van hen te plaatsen om te bewijzen hoe goed de onze zou kunnen werken, " zegt Hagan. Maar het was niet gemakkelijk:in Delhi, hij zegt, de fijnstofniveaus waren zo hoog dat hun sensoren in eerste instantie gemakkelijk zouden vervuilen, en de sensoren dreigden oververhit te raken op warme dagen. "Daaromheen ontwerpen is een leuke technische uitdaging, "zegt Hagen.

Na het overwinnen van deze uitdagingen, de goedkope sensoren en monitoren van onderzoekskwaliteit liepen in de winter van 2018 gedurende zes weken gelijktijdig, bemonstering van de lucht vanaf het balkon op de vierde verdieping van een laboratorium. Na analyse van de verzamelde gegevens, ontdekten de onderzoekers dat de goedkope sensoren, die zowel gassen als deeltjes meet, niet alleen de luchtkwaliteit en de niveaus van vervuilende stoffen in het groot, maar kan ook worden gebruikt om de bronnen van verontreinigende stoffen af ​​te leiden, zelfs diegene die de sensoren niet direct kunnen detecteren.

Door een soort multivariate analyse toe te passen die niet-negatieve matrixfactorisatie wordt genoemd, konden de onderzoekers identificeren, ontwarren, en de bronnen afleiden die hebben bijgedragen aan het totale signaal dat is gedetecteerd door de goedkope sensoren, en vergelijk die resultaten met de meer gedetailleerde metingen die zijn verzameld door de monitoren van onderzoekskwaliteit.

Uit die analyse bleek dat het totale signaal bestond uit een verbrandingsfactor en twee andere factoren, en werd gekenmerkt door de deeltjes gemeten vanuit de lucht. De verbrandingsdeeltjes, die een groot deel uitmaken van het totale fijnstof, zijn te klein om door de sensoren zelf te worden gedetecteerd, maar sensormetingen van andere mede uitgestoten verontreinigende stoffen, zoals koolmonoxide, lieten toe dat ze toch konden worden afgeleid.

"Deze goedkope sensoren kunnen voor meer worden gebruikt dan alleen routinemetingen, en kan daadwerkelijk worden gebruikt om bronnen van vervuiling te identificeren die kunnen leiden tot een beter begrip van wat we inademen, "zegt Hagen.

Zelfs verder, de door de goedkope sensoren verzamelde gegevens bevatten voldoende informatie over de vervuiling in de omgeving van Delhi, zodat de onderzoekers onderscheid konden maken tussen primaire bronnen van vervuiling, of direct uitgezonden deeltjes, en secundaire bronnen, die deeltjes gevormd via chemische reacties na emissie in de atmosfeer.

Dit soort informatie zou het gemakkelijker kunnen maken om te begrijpen hoe de luchtkwaliteit over de hele wereld varieert. "Een van de sterke punten van goedkope sensoren is dat ze informatie kunnen geven over de luchtkwaliteit en vervuilingsbronnen op plaatsen die onderbelicht zijn - en veel van deze plaatsen, zoals steden in ontwikkelingslanden, hebben de neiging om de ergste vervuiling ter wereld te hebben, ' zegt Krol.

"Met behulp van deze goedkope sensoren, we de ruimtelijke en temporele heterogeniteit van luchtvervuiling en menselijke blootstelling echt kunnen begrijpen, ', zegt Hagan. 'Dat is veel relevanter voor hoe mensen hun leven leiden.'

De resultaten hebben al toekomstige studies geïnspireerd. "Dit is een cruciale eerste stap in het verbeteren van de stedelijke luchtkwaliteit, " zegt Kroll. "We willen graag zien of we het ook kunnen uitbreiden naar andere omgevingen en andere soorten vervuiling. Dit omvat niet alleen andere vervuilde steden, maar ook relatief schone, zoals Boston."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.