svart kol, allmänt känd som sot, är en betydande bidragande orsak till den globala uppvärmningen och är starkt kopplad till negativa hälsoeffekter. Producerad av ofullständig förbränning av bränslen – som släpps ut från stora lastbilar, tåg, och marina fartyg – det är en luftförorening av särskilt intresse för invånare i stadsområden. Sensorer som finns på marknaden idag är dyra, vilket gör svart kol svårt att spåra.

Forskare vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), samarbetar med UC Berkeley, har utvecklat en ny typ av sensornätverk som är mycket billigare men ändå kan spåra detta partikelmaterial. Med mer än 100 specialbyggda sensorer installerade i West Oakland under 100 dagar, teamet skapade det största svarta kolövervakningsnätverket som skulle distribueras i en enda stad.

En fullständig beskrivning av luftkvalitetsnätverket 100×100 publicerades i tidskriften Miljövetenskap och teknik .

Genererar en ny teknik för att övervaka luftföroreningar

Projektet lanserades för att ta itu med en ihållande oro i samhället:behovet av bättre verktyg för att övervaka svart kol över tid och rum. Utvidgar tidigare forskning vid Berkeley Lab, teamet tog sig an denna utmaning genom att bygga Aerosol Black Carbon Detector (ABCD). "Vi genererade en teknik som inte fanns för att göra detta osynliga problem synligt, sa Thomas Kirchstetter, som leder Energy Analysis and Environmental Impacts Division vid Berkeley Lab, och är adjungerad professor i civil- och miljöteknik vid UC Berkeley.

Liten och billig, ABCD är en kompakt luftkvalitetsmonitor som kan mäta koncentrationen av svart kol i ett luftprov. "Vi var tvungna att skapa en sensor som var lika exakt som högkvalitativ, dyr instrumentering, men tillräckligt låg i kostnad för att vi skulle kunna distribuera 100 av dem i hela samhället, " sa Kirchstetter. Tack vare designinnovationer som medförfattaren Julien Caubel utvecklade under sin doktorandforskning, som hjälper sensorerna att motstå förändringar i temperatur och luftfuktighet, ABCD kan producera tillförlitlig data när den lämnas utanför under längre perioder. Materialet för varje ABCD kostar mindre än $500. I jämförelse, kommersiellt tillgängliga instrument som mäter svart kol kostar många tusen dollar.

Ett väldistribuerat nätverk

Sensorflottan var utplacerad i hela West Oakland, ett femton kvadratkilometer stort bostads- och industrikvarter omgivet av motorvägar och påverkat av utsläpp från Port of Oakland och andra industriella aktiviteter. Sex kategorier för markanvändning angavs för sensorplacering:motvind, bostads, industriell, nära motorvägen, lastbilsväg, och hamnplatser. "Det var viktigt att bygga ett välfördelat nätverk över grannskapet för att fånga föroreningsmönster, " sa medförfattaren Chelsea Preble, en Berkeley Lab affiliate och postdoktor vid UC Berkeley. Genom ett samarbete med West Oakland Environmental Indicators Project (WOEIP), Miljöförsvarsfonden, Bay Area Air Quality Management District, och Port of Oakland, forskarna rekryterade samhällsmedlemmar som var villiga att vara värd för svarta kolsensorer utanför deras hem och företag. "Vårt samarbete med WOEIP, i synnerhet att arbeta med Margaret Gordon och Brian Beveridge, var avgörande för studiens framgång, sa Preble.

För att spåra de enskilda sensorerna i realtid, inklusive deras driftstatus, och samla in mått, medförfattaren Troy Cados byggde en anpassad webbplats och databas. Varje timme, enheterna skickade svarta kolkoncentrationer till databasen med 2G, det mobila trådlösa nätverket. Studien producerade cirka 22 miljoner rader data, ger insikter om luftföroreningarnas natur på lokal skala. Nu tillgänglig för nedladdning, uppgifterna används också av medarbetare från UC Berkeley, Bay Area Air Quality Management District, och andra institutioner för att förbättra modelleringsverktygen för luftföroreningar.

Omvandlar osynliga föroreningar till data

Hur fungerade dessa enheter? ABCD drog luft genom ett vitt filter, där svarta kolpartiklar avsattes. Optiska komponenter i sensorn mätte periodiskt mängden ljus som överfördes genom mörkläggningsfiltret. Koncentrationen av svart kol i luften baserades på hur mycket filtret hade mörknat över tiden. Denna teknik, utvecklad för flera decennier sedan av Berkeley Lab och nu kommersiellt tillgänglig, fungerade som en grund för innovationerna i denna studie.

I West Oakland, forskarna fann att svart kol varierade kraftigt över avstånd så korta som 100 meter och tidsspann så kort som en timme. De högsta och mest varierande nivåerna var förknippade med lastbilsaktivitet längs Maritime Street, vanligtvis lågt före gryningen när hamnen i Oakland var stängd och nådde sin topp när verksamheten startade, runt åtta på morgonen. De lägsta svarta kolhalterna i studieområdet registrerades på söndagar, när lastbilsaktiviteten vanligtvis är lägst, och vid vindställen nära viken, väster om motorvägarna och stadens industriella verksamhet. De flesta av sensorerna kunde samla in tillräckligt med data för att fastställa föroreningsmönster under de första 30 dagarna av studien, vilket tyder på att liknande – och kortare – studier skulle kunna ge andra samhällen värdefull information om deras luftkvalitet.

Samarbeta med samhällen för att främja vetenskapen om övervakning

"Denna forskning är ett exempel på hur ett nationellt laboratorium kan ha en meningsfull inverkan genom att arbeta med samhällen, " sa Kirchstetter. "Vi arbetade för att ta itu med en oro som de länge har haft och tillhandahöll data som beskrev hur föroreningarna varierar i grannskapet, som kan användas för att förespråka renare luft, " sa han. Teamet arbetar för närvarande med att utveckla denna teknik, vilket gör den mer robust och enklare att använda så att den kan användas under längre tid på andra platser.

"Vi har länge varit involverade i genereringen av teknik för avkänning av luftföroreningar, sa Kirchstetter, vars mentor, Tica Novakov, startade området svart kol forskning och var en inspiration för detta arbete. "Berkeley Lab har experter inom luftkvalitet och materialvetenskap, och kan främja vetenskapen om sensorer för att fortsätta denna väg framåt, " sa han. Sedan projektet slutförts, Cados och Caubel har grundat en start-up för att utveckla dessa tekniker och göra dem mer lättillgängliga.