Nuovi sensori fotonici agili per ridurre l’inquinamento atmosferico
Le aree urbane sono afflitte dagli inquinanti atmosferici, che sono dannosi per la salute e l’ambiente. Essendo gas a effetto serra, l’anidride carbonica (CO₂) e il metano (CH₄) sono coinvolti nel riscaldamento globale; gli ossidi di azoto (NOx) sono dannosi per il sistema respiratorio e cardiovascolare; il monossido di carbonio (CO) interferisce con il trasporto di ossigeno nel sangue e, infine, il particolato carbonioso (BC) si associa a malattie cardiovascolari e respiratorie e contribuisce ad aggravare i cambiamenti climatici. Sebbene i sistemi di monitoraggio atmosferico ad alta precisione siano attualmente in grado di misurare questi inquinanti, le apparecchiature alla loro base sono solitamente grandi, fisse e costose da mantenere, oltre a richiedere frequenti calibrazioni. Secondo Liam O’Faolain, il coordinatore del progetto PASSEPARTOUT, finanziato dall’UE: «La sfida risiede nel progettare sensori fotonici più piccoli e meno costosi, che siano comunque sufficientemente validi per soddisfare scopi normativi e scientifici e che possano essere utilizzati dalle autorità pubbliche.» PASSEPARTOUT ha sviluppato una nuova generazione di sensori ottici miniaturizzati, privi di calibrazione, sensibili e selettivi che sono in grado di rilevare i principali inquinanti in un’ampia gamma spettrale, a livelli estremamente bassi.
Una mappatura dell’inquinamento ad alta risoluzione
In primo luogo, il team ha sviluppato una serie di sensori miniaturizzati ad alte prestazioni che utilizzano la spettroscopia fotoacustica a diapason di quarzo(si apre in una nuova finestra) (QEPAS, Quartz Enhanced Photoacoustic Spectroscopy) per il rilevamento dei gas e l’interferometria fototermica(si apre in una nuova finestra) (PTI, Photo-Thermal Interferometry) per il rilevamento del BC. I dispositivi impiegano tecnologie laser avanzate come i laser a cascata interbanda(si apre in una nuova finestra) (ICL, Interband Cascade Lasers), i laser a cascata quantica(si apre in una nuova finestra) (QCL, Quantum Cascade Laser) e i laser a diodi per ottenere il rilevamento in un’ampia gamma del medio infrarosso. «Dato che le lunghezze d’onda a cui un gas assorbe la luce sono costanti e prevedibili, i laser possono essere utilizzati per il rilevamento, ovvero il sistema non deve essere costantemente ricalibrato», osserva O’Faolain, docente presso la Munster Technological University(si apre in una nuova finestra), l’ateneo che ha ospitato il progetto. I componenti dei sensori sono stati combinati all’interno di unità di analisi compatte, da utilizzare come dispositivi di analisi fissi su infrastrutture come i lampioni, dispositivi di analisi mobili montati su veicoli e dispositivi di analisi aerei installati su droni per la mappatura 3D. I dati dei sensori vengono trasmessi in modalità wireless ai server cloud tramite reti ad ampio raggio e bassa potenza, oppure attraverso connessioni dati mobili. Il sistema si avvale di software e analisi dei dati basati sull’intelligenza artificiale, soluzioni sviluppate dal team, al fine di modellare la dispersione dell’inquinamento nello spazio e nel tempo, identificare i punti caldi e le tendenze dell’inquinamento ed effettuare previsioni. A integrare tutto ciò, PASSEPARTOUT ha sviluppato l’app AIRTOWN(si apre in una nuova finestra) allo scopo di fornire avvisi, visualizzazioni e raccomandazioni agli utenti.
Prove sul campo riuscite
In seguito ai test di laboratorio, PASSEPARTOUT ha condotto prove sul campo in Irlanda intorno alle scuole di Cork e in Italia presso il porto di Genova e in un’area di parcheggio a Bari. «Le misure in tempo reale e altamente sensibili fornite dai dispositivi di analisi multigas QEPAS e dai sensori fototermici di particolato carbonioso hanno dimostrato il loro potenziale, consentendo di compiere un significativo progresso nella tecnologia di rilevamento ambientale accessibile», afferma O’Faolain. Inoltre, i laser a cascata interbanda in fibra con pigtail di Nanoplus, azienda partner del progetto, che hanno eliminato la necessità di un complesso allineamento ottico consentendo l’utilizzo plug-and-play, stanno già suscitando interesse. Al tempo stesso, il primo circuito integrato fotonico di PASSEPARTOUT destinato alla spettroscopia fototermica per il rilevamento di gas e l’interferometria fototermica per il particolato carbonioso offre notevoli potenzialità. «L’integrazione di più sorgenti luminose e guide d’onda in un unico chip per il rilevamento di precisione dei gas costituisce una fusione all’avanguardia di nanofotonica e scienza ambientale», aggiunge O’Faolain.
Sostenere un processo decisionale basato sulla scienza
PASSEPARTOUT è in linea con diverse politiche e strategie chiave dell’Unione Europea, tra cui il Green Deal europeo(si apre in una nuova finestra), il piano d’azione «inquinamento zero»(si apre in una nuova finestra) e le missioni dell’UE per città climaticamente neutre e intelligenti. «La nostra soluzione consentirà di creare le reti di monitoraggio necessarie per generare dati sull’inquinamento locale in tempo reale, che risultano essenziali al fine di valutare l’impatto degli interventi e apportare modifiche», spiega O’Faolain. I ricercatori sono ora concentrati sul dispiegamento di una rete ad alta densità di dispositivi di analisi in aree urbane selezionate per la raccolta di dati sull’inquinamento a livello iper-locale (ovvero di strada), accompagnata da interventi sperimentali mirati sul traffico, come le zone a basse emissioni.
