Черный углерод, широко известный как сажа, вносит значительный вклад в глобальное потепление и тесно связан с неблагоприятными последствиями для здоровья. Образующийся в результате неполного сгорания топлива, выбрасываемого большими грузовиками, поездами и морскими судами, он представляет собой загрязнитель воздуха, вызывающий особую озабоченность жителей городских районов. Доступные сегодня на рынке датчики дороги, что затрудняет отслеживание черного углерода.
Исследователи Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab) в сотрудничестве с Калифорнийским университетом в Беркли разработали новый тип сенсорной сети, который гораздо более доступен по цене, но способен отслеживать эти твердые частицы. С более чем 100 изготовленными на заказ датчиками, установленными в Западном Окленде на 100 дней, команда создала крупнейшую сеть мониторинга черного углерода, которая будет развернута в одном городе.
Полное описание сети контроля качества воздуха 100×100 было опубликовано в журнале Environmental Science and Technology.
Создание новой технологии для мониторинга загрязнения воздуха
Проект был запущен для решения постоянной проблемы сообщества: потребности в более совершенных инструментах для мониторинга черного углерода во времени и пространстве. Расширяя предыдущие исследования в лаборатории Беркли, команда решила эту проблему, создав детектор аэрозольного черного углерода (ABCD).«Мы создали технологию, которой не существовало, чтобы сделать эту невидимую проблему видимой», - сказал Томас Кирхштеттер, руководитель отдела энергетического анализа и воздействия на окружающую среду в лаборатории Беркли и адъюнкт-профессор гражданской и экологической инженерии Калифорнийского университета в Беркли.
Маленький и недорогой, ABCD представляет собой компактный монитор качества воздуха, который может измерять концентрацию черного углерода в пробе воздуха. «Нам нужно было создать датчик, который был бы таким же точным, как и дорогостоящее оборудование высокого класса, но достаточно дешевым, чтобы мы могли распространить 100 таких датчиков по всему сообществу», - сказал Кирхштеттер. Благодаря конструктивным инновациям, разработанным соавтором Жюльеном Кобелем во время его докторской диссертации, которые помогают датчикам выдерживать изменения температуры и влажности, ABCD может выдавать надежные данные, даже если его оставить снаружи в течение длительного периода времени. Материалы для каждой ABCD стоят менее 500 долларов. Для сравнения, имеющиеся в продаже приборы для измерения черного углерода стоят многие тысячи долларов.
Хорошо распределенная сеть
Флот датчиков был развернут по всему Западному Окленду, жилому/промышленному району смешанного использования площадью пятнадцать квадратных километров, окруженному автострадами и подверженному воздействию выбросов из порта Окленда и других промышленных объектов. Для размещения датчиков были определены шесть категорий землепользования: с наветренной стороны, жилые, промышленные, вблизи шоссе, на маршруте для грузовиков и в портах. «Было важно построить хорошо распределенную сеть по всему району, чтобы зафиксировать закономерности загрязнения», - сказала соавтор Челси Пребл, член лаборатории Беркли и научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли. Благодаря сотрудничеству с Проектом экологических индикаторов Западного Окленда (WOEIP), Фондом защиты окружающей среды, Районом управления качеством воздуха в районе залива и портом Окленда ученые наняли членов сообщества, желающих разместить датчики черного углерода за пределами своих домов и предприятий. «Наше партнерство с WOEIP, в частности работа с г-жойМаргарет Гордон и Брайан Беверидж сыграли важную роль в успехе исследования», - сказал Пребл.
Чтобы отслеживать отдельные датчики в режиме реального времени, включая их рабочее состояние, и собирать измерения, соавтор Трой Кадос создал собственный веб-сайт и базу данных. Каждый час устройства отправляли данные о концентрации черного углерода в базу данных, используя мобильную беспроводную сеть 2G. В ходе исследования было получено около 22 миллионов строк данных, дающих представление о природе загрязнения воздуха в местном масштабе. Данные, которые теперь доступны для загрузки, также используются сотрудниками Калифорнийского университета в Беркли, Района управления качеством воздуха в районе залива и других учреждений для улучшения инструментов моделирования загрязнения воздуха.
Превращение невидимых загрязнителей в данные
Как работали эти устройства? ABCD пропускал воздух через белый фильтр, где оседали частицы черного углерода. Оптические компоненты датчика периодически измеряли количество света, прошедшего через затемняющий фильтр. Концентрация черного углерода в воздухе основывалась на том, насколько фильтр потемнел с течением времени. Этот метод, разработанный несколько десятилетий назад лабораторией Беркли и теперь коммерчески доступный, послужил основой для инноваций в этом исследовании.
В Западном Окленде исследователи обнаружили, что черный углерод резко различается на расстояниях до 100 метров и в течение всего одного часа. Самые высокие и самые изменчивые уровни были связаны с движением грузовиков на Маритайм-стрит, обычно низкими в предрассветные часы, когда порт Окленда был закрыт, и пиковыми в начале работы, около восьми утра. Самые низкие концентрации черного углерода в районе исследования были зарегистрированы по воскресеньям, когда активность грузовиков обычно самая низкая, а также в местах с наветренной стороны у залива, к западу от автострад и промышленной деятельности города. Большинство датчиков смогли собрать данных, достаточных для установления закономерностей загрязнения в течение первых 30 дней исследования, что позволяет предположить, что аналогичные - и более короткие - исследования могут предоставить другим сообществам ценную информацию о качестве их воздуха.
Партнерство с сообществами для развития науки о мониторинге
«Это исследование является примером того, как национальная лаборатория может оказать существенное влияние, работая с сообществами», - сказал Кирхштеттер. «Мы работали над решением проблемы, которая у них уже давно была, и предоставили данные, описывающие, как загрязнение варьируется по всему району, которые можно использовать для защиты более чистого воздуха», - сказал он. В настоящее время команда работает над совершенствованием этой технологии, делая ее более надежной и простой в использовании, чтобы ее можно было развертывать в течение более длительных периодов времени в других местах.
«Мы уже давно занимаемся созданием технологий обнаружения загрязнения воздуха», - сказал Кирхштеттер, чей наставник Тика Новаков начал исследования черного углерода и послужил источником вдохновения для этой работы. «Лаборатория Беркли имеет экспертов в области качества воздуха и материаловедения, и она может способствовать развитию науки о датчиках, чтобы продолжить этот путь вперед», - сказал он. После завершения проекта Кадос и Каубель основали стартап, чтобы разработать эти методы и сделать их более доступными.
Авторами этой статьи были Джулиан Каубель, Трой Кадос, Челси Пребл и Томас Кирхштеттер. Исследование финансировалось Фондом защиты окружающей среды при натуральной поддержке Района управления качеством воздуха в районе залива.