Luftforurening er et velkendt problem. Nu kan udviklingen af nye low-cost sensorer give en bedre forståelse af luftforurening og dens spredning. Dertil vil sensorerne være et værdifuldt supplement til den nationale rutinemæssige overvågning af luftkvaliteten i Danmark.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 10, 2016 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.
Af Maria Bech Poulsen1, Ole Hertel1 og Sebastian Büttrich2
1 Institut for Miljøvidenskab, Aarhus Universitet
2 PITLab, IT Universitetet i København
Luftforurening er et emne, som de fleste har hørt om, og som optager mange. For eksempel, når der skal købes hus eller lejlighed, når der cykles i myldretidstrafikken eller når brændeovnenes fyringssæson starter i efteråret. Institut for Miljøvidenskab ved Aarhus Universitet modtager ofte henvendelser fra bekymrede borgere med spørgsmål vedrørende luftforurening. Og der er grund til deres bekymring – hvert år er luftforureningen ansvarlig for 4.000 for tidlige dødsfald og samfundsomkostninger på 30 milliarder kroner [1]. Resultater fra såvel dansk som international forskning har dokumenteret, at der selv ved de danske luftforureningsniveauer er alvorlige sundhedseffekter relateret til udsættelse for udendørs luftforurening. Disse effekter omfatter blandt andet øget risiko for astma, bronkitis, diabetes, hjerte-kar-sygdomme og kræft, og der er dokumenteret effekter ved såvel korttids- som langtidseksponering [1].
Men det skal her nævnes, at luftforureningen i Danmark har været faldende i de seneste år som følge af reguleringer, direktiver og renseteknologiske løsninger [2]. Trods faldende koncentrationer forekommer der stadig overskridelser af EU’s fastsatte grænseværdier for forureningskomponenter som nitrogendioxid (NO2) på nogle af de mest trafikerede gader i København, heriblandt H.C. Andersens Boulevard og Jagtvej [3].
Overvågning af luftforurening
EU’s luftkvalitetsdirektiv pålægger alle EU-lande at overvåge luftforureningen samt sikre, at de fastsatte grænseværdier overholdes. I Danmark varetages den nationale overvågning af luftkvaliteten af Institut for Miljøvidenskab AU på vegne af Miljøstyrelsen. 18 målestationer er placeret rundt om i Danmark, således at der måles koncentrationer i henholdsvis gadeniveau, bybaggrund og i landområder [3]. Selve monitoreringen foregår med ressourcekrævende og omkostningstunge state-of-the art-instrumenter, hvilket resulterer i måledata af høj kvalitet. Men der er også begrænsninger; f.eks. er studier af forurening i transportmidler samt personlige eksponeringsstudier vanskelige at gennemføre, da måleudstyret ofte er tungt og stort. Kravet til ressourcer begrænser endvidere antallet af målestationer i f.eks. byområder, og her kan udviklingen af nye små low-cost sensorer være et værdifult supplement til den rutinemæssige overvågning.
Nye billige sensorer
Såvel i Danmark som resten af verden arbejdes der på udviklingen af low-cost sensorer til måling af luftforurening. Det er imidlertid ikke muligt at udvikle en lille og billig sensor, som måler med samme nøjagtighed og præcision som avanceret måleudstyr. De billigste low-cost sensorer måler ofte luftforureningsgasser i ppm (parts per million)-området, mens der i gademiljøet typisk er tale om niveauer på ppb (parts per billion)-skalaen. Det begrænser sensorernes anvendelse og kan resultere i upræcise og ustabile målinger.
Institut for Miljøvidenskab AU og PITLAB ved IT Universitetet i København er gået sammen om at udvikle low-cost sensorinstrumenter, hvor der i første omgang fokuseres på monitorering af NO2 og ozon (O3).
Hertil anvendes elektrokemiske gassensorer fra Alphasense, som er i stand til at måle i ppb-området. Elektrokemiske sensorer består normalt af tre elektroder; en arbejdselektrode, en referenceelektrode og en måleelektrode, mens sensorerne fra Alphasense ydermere indeholder en såkaldt auxiliary elektrode. Når gassen diffunderer gennem sensorens yderste membran, vil gassen indgå i en redoxreaktion ved arbejdselektroden (en reduktion i forhold til NO2 og O3), hvorved der dannes en strøm. Den udsendte strøm måles ved måleelektroden ved at lade den modsatrettede redoxreaktion finde sted. Strømmen udgør sensorens output, som måles i millivolt (mV). Foruden NO2– og O3-sensorer indeholder den samlede sensorenhed en temperatur- og luftfugtighedssensor, da disse parametre er stærkt varierende i udemiljøet og påvirker NO2– og O3-sensorernes måling. Data gemmes på et indbygget hukommelseskort, og sensoren modtager strøm via en USB-udgang.
Kalibreringsstudier af sensorerne er foretaget på overvågningsprogrammets målestation på H.C. Andersens Boulevard, hvor referencedata fra den rutinemæssige monitorering er anvendt. Sensorens output konverteres via matematiske algoritmer til en koncentration i ppb. De første resultater fremgår af figur 3, hvor der ses en god korrelation mellem sensordata (rød stiplet linje) og referencedata (grøn linje). Den gennemsnitlige afvigelse er på ca. 10 ppb.
Kalibreringsstudierne samt udviklingen af den første prototype blev foretaget af specialestuderende Christian Jensen i et samarbejde mellem DTU, Institut for Miljøvidenskab og IT Universitetet.
Den næste generation
Den første low-cost sensorprototype er primært udviklet til stationære målinger, mens en netop færdig version 2.0 er bygget i en mere kompakt og let udgave, hvilket i højere grad muliggør bærbare målinger, figur 4. Denne version 2.0 kalibreres i øjeblikket af tre studerende fra Kemisk Institut, Københavns Universitet. Den næste generation af sensorerne bliver en videreudbygning af version 2.0, så der opnås en let og elegant version til at bære på armen, i hånden eller lignende. Der skal ydermere udvikles en online database, hvor data gemmes, behandles og visualiseres i grafer og tabeller.
Der er muligheder med low-cost sensorer
Mulighederne med low-cost sensorer er mange. Deres lille størrelse og lave pris gør det muligt at installere et stort netværk af sensorer i byrummet og derved opnå realtime data til kortlægning af større områder. Sensorerne er således et værdifuldt supplement til modelberegninger og det faste overvågningsprogram. Muligheden for mobile målinger gør sensorerne ideelle til personstudier. Der kan udvikles et undervisningskit, som kan give skoleelever hands-on med luftforureningen eller et screeningsredskab, som kan anvendes til personeksponeringsstudier, når man færdes i byen. Der er med andre ord en spændende fremtid i vente for low-cost sensorerne samt gode muligheder for samarbejde med såvel private virksomheder, industrien samt offentlige institutioner.