När som helst i Delhi, Indien, en invånare kan starta sin bil, släpper ut avgaser som flyter ut i atmosfären. I nordvästra Indien, en bonde kan sätta eld på sin åker efter veteskörden för att snabbt rensa den, släpper ut rök som bärs av vinden. En liten familj kan elda ved för att tända sin kamin, släpper ut sot till himlen. Delhi, en stad som har en befolkning på över 28 miljoner invånare, myllrar av aktivitet alla timmar på dygnet och natten. Och i takt med att den växer — så ökar dess föroreningar.

Föroreningen, som ibland visar sig som tjock smog, luftvägssjukdom, och sjukdom, är i fokus för många som hoppas kunna identifiera och eliminera dess källor. Men för att göra det exakt, föroreningarna måste spåras av forskningsklassade luftkvalitetsmonitorer som mäter föroreningar inklusive partiklar, svaveldioxid, kvävedioxid, ozon, och mer, som kan kosta uppåt hundratusentals dollar.

Billiga sensorer, som nyligen har börjat kommersialiseras, erbjuda forskare, beslutsfattare, och allmänheten möjlighet att upptäcka föroreningar utan höga omkostnader – men inte utan några avvägningar. Jesse Kroll, en professor vid MIT-avdelningarna för civil- och miljöteknik och kemiteknik, forskar om de instrument och metoder som används för att bedriva atmosfärisk kemiforskning. "När det gäller nästan varje mätvärde – precision, noggrannhet, känslighet, störningar, drift, och så vidare — lågkostnadssensorerna är långt ifrån vad utrustning av forskningskvalitet kan leverera, " säger han. "Detta är en stor begränsning, men det är vanligtvis inte tydligt av sensortillverkarna."

Som ett resultat, Kroll säger, användningen av billiga sensorer för att upptäcka föroreningar är fortfarande dåligt karakteriserad. Men sensorernas lägre kostnad, lägre energiförbrukning, och mindre storlekar stimulerar till adoption, så deras användning har utökats avsevärt under de senaste åren i länder som Kina och Indien. "Användningen av dessa instrument överskrider verkligen våra ansträngningar att förstå vad deras data faktiskt betyder, säger Kroll.

Utmaningen att förtydliga och utöka förmågan hos lågkostnadssensorer inom föroreningar upptäcker inspirerade en nyligen publicerad studie ledd av Kroll och doktorand David Hagan som jämförde prestanda hos lågkostnadssensorer med utrustning av forskningsgrad i Delhi-och hittade en ny enheternas kapacitet.

På India Institute of Technologys campus i Delhi, forskningsinstrument samplade redan luften från fjärde våningen i en byggnad i Hauz Khaz, konfigureras och underhålls av Kroll och Hagans medarbetare, Josh Apte och Lea Hildebrandt från University of Texas i Austin. "Vi tog tillfället i akt att kunna samlokalisera våra instrument med deras för att bevisa hur väl vårt kunde fungera, " säger Hagan. Men det var inte lätt:I Delhi, han säger, nivåerna av partiklar var så höga att deras sensorer till en början lätt skulle smutsa ner, och sensorerna riskerade överhettning under varma dagar. "Att designa runt det är en rolig ingenjörsutmaning, säger Hagan.

Efter att ha övervunnit dessa utmaningar, lågkostnadssensorerna och monitorerna av forskningsklass kördes samtidigt under en sexveckorsperiod vintern 2018, provtagning av luften från balkongen på fjärde våningen i ett laboratorium. Efter att ha analyserat de insamlade uppgifterna, forskarna fann att lågprissensorerna, som mätte både gaser och partiklar, fångade inte bara luftkvalitet och föroreningsnivåer i stor bild, men kan också användas för att utläsa källorna till föroreningar, även de som sensorerna inte kan upptäcka direkt.

Genom att tillämpa en typ av multivariat analys som kallas icke-negativ matrisfaktorisering, forskarna kunde identifiera, reda ut, och härleda källorna som bidrog till den totala signalen som upptäckts av lågkostnadssensorerna, och jämför dessa resultat med de mer detaljerade mätningarna som samlats in av monitorerna av forskningsgrad.

Den analysen visade att den totala signalen bestod av en förbränningsfaktor samt två andra faktorer, och kännetecknades av partiklarna mätta från luften. Förbränningspartiklarna, som utgör en stor del av det totala partikelmaterialet, är för små för att upptäckas av sensorerna själva, men sensormätningar av andra samutsläppta föroreningar, som kolmonoxid, tillät dem ändå att dra slutsatsen.

"Dessa lågkostnadssensorer kan användas för mer än att bara göra rutinmätningar, och kan faktiskt användas för att identifiera föroreningskällor som kan leda till en bättre förståelse av vad vi andas, säger Hagan.

Ännu längre, data som samlats in av lågprissensorerna fångade tillräckligt med information om omgivande Delhi-föroreningar för att forskarna kunde skilja mellan primära föroreningskällor, eller direkt emitterade partiklar, och sekundära källor, de partiklar som bildas genom kemiska reaktioner efter utsläpp i atmosfären.

Den typen av information kan göra det lättare att förstå hur luftkvaliteten varierar runt om i världen. "En av styrkorna med lågkostnadssensorer är att de kan ge information om luftkvalitet och föroreningskällor på platser som är understuderade - och många av dessa platser, som städer i utvecklingsländerna, tenderar att ha några av de värsta föroreningarna i världen, "Säger Kroll.

"Med hjälp av dessa billiga sensorer, vi kan verkligen förstå den rumsliga och tidsmässiga heterogeniteten av luftföroreningar och mänsklig exponering, ", säger Hagan. "Det är mycket mer relevant för hur människor faktiskt lever sina liv."

Resultaten har redan inspirerat framtida studier. "Detta är ett avgörande första steg för att förbättra luftkvaliteten i städerna, ", säger Kroll. "Vi skulle vilja se om vi kan utöka det till andra miljöer och andra typer av föroreningar också. Detta inkluderar inte bara andra förorenade städer, men också relativt rena, som Boston."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.