Luftverschmutzung mit neuen agilen photonischen Sensoren verringern
Städtische Gebiete sind mit Luftschadstoffen belastet, die der Gesundheit und der Umwelt schaden. Als Treibhausgase sind Kohlendioxid (CO₂) und Methan (CH₄) an der globalen Erwärmung beteiligt, Stickoxide (NOx) sind schädlich für die Atemwege und das Herz-Kreislauf-System, Kohlenmonoxid (CO) beeinträchtigt den Sauerstofftransport im Blut, und Ruß (CB) wird mit Herz-Kreislauf- sowie Atemwegserkrankungen in Verbindung gebracht und trägt zum Klimawandel bei. Hochpräzise Luftüberwachungssysteme können diese Schadstoffe zwar messen, aber die Geräte sind in der Regel groß und stationär, teuer im Unterhalt und müssen oft neu kalibriert werden. Liam O’Faolain, Koordinator des EU-finanzierten Projekts PASSEPARTOUT kommentiert: „Die Herausforderung besteht darin, kleinere, günstigere photonische Sensoren zu entwickeln, die für regulatorische und wissenschaftliche Zwecke immer noch gut genug sind und von den Behörden eingesetzt werden können.“ PASSEPARTOUT hat eine neue Generation von kalibrierungsfreien, empfindlichen und selektiven optischen Miniatursensoren entwickelt, die in der Lage sind, wichtige Schadstoffe in einem breiten Spektralbereich bei extrem niedrigen Werten aufzuspüren.
Hochauflösende Kartierung der Verschmutzung
Zunächst entwickelte das Team verschiedene kleine Hochleistungssensoren, die quarzverstärkte photoakustische Spektroskopie(öffnet in neuem Fenster) (QEPAS) zur Gasdetektion und photothermische Inferometrie(öffnet in neuem Fenster) (PTI) zur Detektion von Ruß verwenden. Dabei wurden fortgeschrittene Lasertechnologien wie Interbandkaskadenlaser(öffnet in neuem Fenster), Quantenkaskadenlaser(öffnet in neuem Fenster) und Diodenlaser eingesetzt, um eine Detektion über einen breiten mittleren Infrarotbereich zu erreichen. „Da die Wellenlängen, bei denen ein Gas Licht absorbiert, konstant und vorhersehbar sind, können Laser zur Detektion verwendet werden, wodurch das System nicht ständig neu kalibriert werden muss“, erklärt O’Faolain von der Technischen Universität Munster(öffnet in neuem Fenster) in Irland, die das Projekt betreut. Die Sensorkomponenten wurden zu kompakten Analyseeinheiten, die als stationäre Analysatoren an Infrastrukturen wie Laternenmasten, als mobile, in Fahrzeugen montierte Analysatoren und als luftgestützte Analysatoren auf Drohnen für 3D-Kartierungen eingesetzt werden können. Die Sensordaten werden über stromsparende Weitverkehrsnetze oder mobile Datenverbindungen kabellos an Cloud-Server übertragen. Das System nutzt dann die vom Team entwickelte KI-gestützte Software und Datenanalyse, um die räumliche und zeitliche Ausbreitung der Verschmutzung zu modellieren, von Verschmutzung belastete Orte und Trends zu ermitteln und Prognosen zu erstellen. Ergänzend dazu wurde die App AIRTOWN(öffnet in neuem Fenster) erstellt, die Warnungen, Visualisierungen und Empfehlungen für die Nutzenden bereitstellt.
Erfolgreiche Feldversuche
Nach den Labortests führte PASSEPARTOUT Feldversuche an Schulen in Cork (Irland) und in Italien am Hafen von Genua sowie auf einem Parkplatz in Bari durch. „Die hochempfindlichen Echtzeitmessungen, die sowohl die Multigas-QEPAS-Analysatoren als auch die photothermischen Rußsensoren bereitstellen, haben ihr Potenzial bewiesen und stellen einen bedeutenden Fortschritt in der Umweltsensorik dar“, so O’Faolain. Außerdem stoßen die Interbandkaskadenlaser des Projektpartners Nanoplus, die eine komplexe optische Ausrichtung überflüssig machen und eine sofortige Einsatzbereitschaft aufweisen, bereits auf Interesse. Der erste photonische integrierte Schaltkreis (PIC) von PASSEPARTOUT für die photothermische Spektroskopie zur Gasdetektion und die photothermische Interferometrie für Ruß bietet ebenfalls erhebliches Potenzial. „Die Integration mehrerer Lichtquellen und Wellenleiter auf einem einzigen Chip zur präzisen Gasdetektion stellt eine bahnbrechende Verbindung von Nanophotonik und Umweltwissenschaft dar“, fügt O'Faolain hinzu.
Eine wissenschaftlich fundierte Politikgestaltung unterstützen
PASSEPARTOUT steht im Einklang mit mehreren der wichtigsten Politiken und Strategien der Europäischen Union, darunter der europäische Grüne Deal(öffnet in neuem Fenster), Plan zur Schadstofffreiheit(öffnet in neuem Fenster) und die EU-Mission für klimaneutrale und intelligente Städte. „Unsere Lösung wird die erforderlichen Überwachungsnetze bieten, um lokale Verschmutzungsdaten in Echtzeit zu erzeugen, die für die Bewertung der Auswirkungen von Maßnahmen und für Anpassungen unerlässlich sind“, bemerkt O’Faolain. Die Forschenden konzentrieren sich nun darauf, ein dichtes Netz von Analysatoren in ausgewählten städtischen Gebieten zu installieren, um Daten über die Umweltverschmutzung auf hyperlokaler Ebene (auf Straßenebene) zu sammeln und gleichzeitig gezielte Verkehrsmaßnahmen, wie z. B. Umweltzonen, zu erproben.
