Carbono negro, comúnmente conocido como hollín, es un contribuyente significativo al calentamiento global y está fuertemente vinculado a resultados de salud adversos. Producida por la combustión incompleta de combustibles, emitida por camiones grandes, trenes y embarcaciones marinas:es un contaminante del aire de especial preocupación para los residentes en áreas urbanas. Los sensores disponibles en el mercado hoy en día son caros, haciendo que el carbono negro sea difícil de rastrear.

Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (Berkeley Lab), colaborando con UC Berkeley, han desarrollado un nuevo tipo de red de sensores que es mucho más asequible pero capaz de rastrear este material particulado. Con más de 100 sensores personalizados instalados en West Oakland durante 100 días, El equipo creó la red de monitoreo de carbono negro más grande que se desplegará en una sola ciudad.

Se publicó una descripción completa de la red de calidad del aire 100 × 100 en la revista. Ciencia y Tecnología Ambiental .

Generando una nueva tecnología para monitorear la contaminación del aire

El proyecto se lanzó para abordar una preocupación persistente en la comunidad:la necesidad de mejores herramientas para monitorear el carbono negro en el tiempo y el espacio. Ampliando la investigación previa en Berkeley Lab, el equipo abordó este desafío construyendo el detector de carbono negro en aerosol (ABCD). "Generamos una tecnología que no existía para hacer visible este problema invisible, "dijo Thomas Kirchstetter, quien dirige la División de Análisis Energético e Impactos Ambientales en Berkeley Lab, y es profesor adjunto de ingeniería civil y ambiental en UC Berkeley.

Pequeño y económico, El ABCD es un monitor de calidad del aire compacto que puede medir la concentración de carbón negro en una muestra de aire. "Tuvimos que crear un sensor que fuera tan preciso como de alta calidad, instrumentación costosa, pero lo suficientemente bajo en costo como para poder distribuir 100 de ellos en toda la comunidad, ", dijo Kirchstetter. Gracias a las innovaciones de diseño que desarrolló el coautor Julien Caubel durante su investigación de doctorado, que ayudan a los sensores a soportar cambios de temperatura y humedad, el ABCD puede producir datos confiables cuando se deja afuera por períodos de tiempo prolongados. Los materiales para cada ABCD cuestan menos de $ 500. En comparación, Los instrumentos disponibles comercialmente que miden el carbono negro cuestan muchos miles de dólares.

Una red bien distribuida

La flota de sensores se implementó en todo West Oakland, un vecindario residencial / industrial de uso mixto de quince kilómetros cuadrados rodeado de autopistas y afectado por las emisiones del Puerto de Oakland y otras actividades industriales. Se designaron seis categorías de uso de la tierra para la colocación de sensores:contra el viento, Residencial, industrial, cerca de la autopista, Ruta de Camiones, y ubicaciones de los puertos. "Era importante construir una red bien distribuida en el vecindario para capturar los patrones de contaminación, "dijo la coautora Chelsea Preble, un investigador postdoctoral y afiliado de Berkeley Lab en UC Berkeley. A través de una colaboración con el Proyecto de Indicadores Ambientales de West Oakland (WOEIP), Fondo de Defensa Ambiental, Distrito de Gestión de la Calidad del Aire del Área de la Bahía, y Puerto de Oakland, los científicos reclutaron a miembros de la comunidad dispuestos a alojar los sensores de carbono negro fuera de sus hogares y negocios. "Nuestra asociación con WOEIP, en particular trabajando con la Sra. Margaret Gordon y Brian Beveridge, fue esencial para el éxito del estudio, "dijo Preble.

Para rastrear los sensores individuales en tiempo real, incluyendo su estado operativo, y recopilar medidas, el coautor Troy Cados creó un sitio web y una base de datos personalizados. Cada hora, los dispositivos enviaron concentraciones de carbono negro a la base de datos usando 2G, la red inalámbrica móvil. El estudio produjo aproximadamente 22 millones de líneas de datos, aportando conocimientos sobre la naturaleza de la contaminación del aire a escala local. Ahora disponible para descargar, los datos también están siendo utilizados por colaboradores de UC Berkeley, el Distrito de Gestión de la Calidad del Aire del Área de la Bahía, y otras instituciones para mejorar las herramientas de modelización de la contaminación del aire.

Convertir contaminantes invisibles en datos

¿Cómo funcionan estos dispositivos? El ABCD extrajo aire a través de un filtro blanco, donde se depositaron las partículas de carbón negro. Los componentes ópticos del sensor midieron periódicamente la cantidad de luz transmitida a través del filtro de oscurecimiento. La concentración de carbono negro en el aire se basó en cuánto se había oscurecido el filtro con el tiempo. Esta tecnica, desarrollado hace varias décadas por Berkeley Lab y ahora disponible comercialmente, sirvió de base para las innovaciones de este estudio.

En West Oakland, Los investigadores encontraron que el carbono negro variaba bruscamente en distancias tan cortas como 100 metros y períodos de tiempo tan cortos como una hora. Los niveles más altos y más variables se asociaron con la actividad de camiones a lo largo de Maritime Street, típicamente bajo en las horas previas al amanecer cuando el puerto de Oakland estaba cerrado y alcanzaba su punto máximo al comienzo del negocio, alrededor de las ocho de la mañana. Las concentraciones más bajas de carbono negro en el área de estudio se registraron los domingos, cuando la actividad de los camiones suele ser la más baja, y en los sitios de ceñida cerca de la bahía, al oeste de las autopistas y la actividad industrial de la ciudad. La mayoría de los sensores pudieron recopilar datos suficientes para establecer patrones de contaminación durante los primeros 30 días del estudio. lo que sugiere que estudios similares, y más breves, podrían proporcionar a otras comunidades información valiosa sobre la calidad del aire.

Asociarse con las comunidades para avanzar en la ciencia del monitoreo

"Esta investigación es un ejemplo de cómo un laboratorio nacional puede tener un impacto significativo al trabajar con las comunidades, ", dijo Kirchstetter." Trabajamos para abordar una preocupación que han tenido durante mucho tiempo y proporcionamos datos que describen cómo varía la contaminación en todo el vecindario, que se puede utilizar para abogar por un aire más limpio, ", dijo. El equipo está trabajando actualmente para promover esta tecnología, haciéndolo más robusto y más fácil de usar para que se pueda implementar durante períodos de tiempo más largos en otras ubicaciones.

"Llevamos mucho tiempo involucrados en la generación de tecnologías de detección de contaminación del aire, "dijo Kirchstetter, cuyo mentor, Tica Novakov, inició el campo de la investigación del carbono negro y fue una inspiración para este trabajo. "Berkeley Lab cuenta con expertos en calidad del aire y ciencias de los materiales, y puede promover la ciencia de los sensores para continuar este camino hacia adelante, ", dijo. Desde la finalización del proyecto, Cados y Caubel han fundado una empresa emergente para desarrollar estas técnicas y hacerlas más accesibles.