Zmniejszenie zanieczyszczenia powietrza dzięki nowym czujnikom fotonicznym
Prawdziwą plagą dla mieszkańców obszarów miejskich jest zanieczyszczenie powietrza, które szkodzi zarówno zdrowiu ludzi, jak i środowisku. Jako gazy cieplarniane, dwutlenek węgla (CO₂) i metan (CH₄) przyczyniają się do globalnego ocieplenia, tlenki azotu (NOx) są szkodliwe dla układów oddechowego i sercowo-naczyniowego, tlenek węgla (CO) zakłóca transport tlenu we krwi, a z kolei sadza (CB) jest powiązana z chorobami układu krążenia i oddechowego oraz przyczynia się do zmiany klimatu. Mimo że obecnie stosowane wysoce precyzyjne systemy monitorowania powietrza są w stanie mierzyć poziom tych zanieczyszczeń, tego typu sprzęt ma zazwyczaj duże gabaryty i nie jest mobilny, a poza tym jest drogi w utrzymaniu i wymaga częstej kalibracji. Jak twierdzi Liam O’Faolain, koordynator finansowanego ze środków UE projektu PASSEPARTOUT: „Wyzwaniem jest zaprojektowanie mniejszych, tańszych czujników fotonicznych, które będą wystarczająco dobre do celów regulacyjnych i naukowych, a także możliwe do wykorzystania przez organy publiczne”. W ramach projektu PASSEPARTOUT opracowano nową generację miniaturowych, niewymagających kalibracji, czułych i selektywnych czujników optycznych, które posiadają zdolność wykrywania głównych zanieczyszczeń w szerokim zakresie spektralnym w bardzo niewielkich stężeniach.
Wysokorozdzielcze mapowanie zanieczyszczeń
W pierwszej kolejności zespół opracował zestaw miniaturowych, wysokowydajnych czujników wykorzystujących technikę spektroskopii fotoakustycznej wspomaganej kwarcowo(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (QEPAS) do wykrywania gazu i interferometrię fototermiczną(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (PTI) do wykrywania sadzy (BC). Zastosowano w nich zaawansowane technologie laserowe, takie jak międzypasmowe lasery kaskadowe(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (ang. Interband Cascade Lasers, ICL), kwantowe lasery kaskadowe(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (ang. Quantum Cascade Laser, QCL) oraz lasery diodowe, aby uzyskać możliwość detekcji w szerokim zakresie średniej podczerwieni. „Ponieważ długości fal, przy których gaz pochłania światło, są stałe i przewidywalne, do jego wykrywania można wykorzystać lasery, co oznacza, że system nie musi być stale kalibrowany”, zauważa O’Faolain, który pracuje na Munster Technological University(odnośnik otworzy się w nowym oknie), uczelni będącej gospodarzem projektu. Komponenty czujników zostały połączone w kompaktowe analizatory, które mogą być używane jako urządzenia stacjonarne montowane na elementach infrastruktury, np. na latarniach, jako urządzenia mobilne przeznaczone do montowania na pojazdach oraz jako analizatory powietrzne umieszczane na dronach i umożliwiające mapowanie 3D. Dane z czujników są bezprzewodowo przesyłane do serwerów w chmurze za pośrednictwem rozległych sieci WAN małej mocy lub mobilnej transmisji danych. Następnie system wykorzystuje opracowane przez zespół oprogramowanie oparte na sztucznej inteligencji (AI) i analizie danych do modelowania rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w czasie i przestrzeni, identyfikowania najbardziej zanieczyszczonych miejsc i trendów związanych z zanieczyszczeniem oraz na potrzeby prognozowania. Uzupełnieniem tych funkcji jest aplikacja AIRTOWN(odnośnik otworzy się w nowym oknie), która wysyła ostrzeżenia, wizualizacje, a także zalecenia dla użytkowników.
Udane badania terenowe
Po badaniach w warunkach laboratoryjnych zespół projektu PASSEPARTOUT przystąpił do realizacji badań terenowych, które miały miejsce w okolicy szkół w Cork (Irlandia) oraz we Włoszech – przy porcie w Genui i parkingu w Bari. „Wysoce czułe pomiary w czasie rzeczywistym dostarczane zarówno przez wielogazowe detektory QEPAS, jak i fototermiczne czujniki sadzy wykazały potencjał tych narzędzi, co stanowiło znaczący postęp w poziomie zaawansowania dostępnej technologii monitorowania środowiska”, mówi O’Faolain. Ponadto dużym zainteresowaniem cieszą się już światłowodowe międzypasmowe lasery kaskadowe firmy Nanoplus, partnera projektu, które eliminują potrzebę skomplikowanego strojenia optycznego, dzięki czemu czujniki są od razu gotowe do użycia. Jednocześnie w ramach projektu PASSEPARTOUT powstał pierwszy w historii fotoniczny układ scalony (PIC) na potrzeby spektroskopii fototermicznej wykrywającej gaz i interferometrii fototermicznej do wykrywania sadzy, który również wykazuje znaczący potencjał. „Zintegrowanie wielu źródeł światła i falowodów na jednym układzie scalonym w celu precyzyjnego wykrywania gazu to nowoczesne połączenie nanofotoniki i nauk o środowisku”, dodaje O’Faolain.
Wspieranie polityki opartej na nauce
Projekt PASSEPARTOUT wpisuje się w cele kilku kluczowych polityk i strategii Unii Europejskiej, takich jak Europejski Zielony Ład(odnośnik otworzy się w nowym oknie), plan działania na rzecz eliminacji zanieczyszczeń(odnośnik otworzy się w nowym oknie) oraz unijne misje w zakresie neutralnych dla klimatu i inteligentnych miast. „Nasze rozwiązanie umożliwi tworzenie sieci monitorowania potrzebnych do generowania lokalnych danych o zanieczyszczeniach w czasie rzeczywistym – niezbędnych do oceny wpływu podejmowanych działań i wprowadzania zmian”, mówi O’Faolain. Naukowcy koncentrują się obecnie na wdrożeniu gęstej sieci analizatorów na wybranych obszarach miejskich, która pozwoli na gromadzenie danych o zanieczyszczeniach na poziomie hiperlokalnym (na poziomie ulicy), a także na realizacji próbnych ukierunkowanych interwencji w zakresie ruchu drogowego, takich jak strefy niskiej emisji.
