En cualquier momento en Delhi, India, un residente puede encender su auto, liberando gases de escape que flotan en la atmósfera. En el noroeste de la India, un agricultor podría prender fuego a su campo después de la cosecha de trigo para limpiarlo rápidamente, soltando humo que será llevado por el viento. Una pequeña familia podría quemar leña para encender su estufa, soltando hollín en el cielo. Delhi, una ciudad que cuenta con una población de más de 28 millones de habitantes, bullicio de actividad a todas horas del día y de la noche. Y a medida que crece, también lo hace su contaminación.

La contaminación, que a veces se manifiesta como una niebla espesa, enfermedad respiratoria, y enfermedad, es el foco de muchos que esperan identificar y eliminar sus fuentes. Pero para hacerlo con precisión, la contaminación debe ser rastreada por monitores de calidad del aire de grado de investigación que miden los contaminantes, incluido el material particulado, dióxido de azufre, dioxido de nitrogeno, ozono, y más, que puede costar más de cientos de miles de dólares.

Sensores de bajo costo, que recientemente han comenzado a comercializarse, ofrecer a los científicos, Responsables políticos, y el público la oportunidad de detectar la contaminación sin altos costos generales, pero no sin algunas compensaciones. Jesse Kroll, profesor en los departamentos de Ingeniería Civil y Ambiental e Ingeniería Química del MIT, investiga los instrumentos y métodos utilizados para realizar investigaciones de química atmosférica. "En términos de casi todas las métricas de medición:precisión, precisión, sensibilidad, interferencias, deriva, y así sucesivamente:los sensores de bajo costo están muy por debajo de lo que puede ofrecer el equipo de grado de investigación, ", dice." Esta es una limitación importante, pero, por lo general, los fabricantes de sensores no lo aclaran ".

Como resultado, Kroll dice:el uso de sensores de bajo costo para detectar la contaminación sigue estando mal caracterizado. Pero el menor costo de los sensores, menor consumo de energía, y los tamaños más pequeños incentivan su adopción, por lo que su uso se ha expandido significativamente en los últimos años en países como China e India. "El uso de estos instrumentos realmente está superando nuestros esfuerzos por comprender lo que realmente significan sus datos, "Kroll dice.

El desafío de aclarar y expandir las capacidades de los sensores de bajo costo en la detección de contaminación inspiró un estudio recientemente publicado dirigido por Kroll y el estudiante graduado David Hagan que comparó el rendimiento de los sensores de bajo costo con equipos de grado de investigación en Delhi, y encontró un nuevo capacidad de los dispositivos.

En el campus de Delhi del Instituto de Tecnología de la India, La instrumentación de grado de investigación ya tomó muestras del aire del cuarto piso de un edificio en Hauz Khaz, creado y mantenido por los colaboradores de Kroll y Hagan, Josh Apte y Lea Hildebrandt de la Universidad de Texas en Austin. "Aprovechamos la oportunidad de poder ubicar nuestros instrumentos con los de ellos para demostrar qué tan bien pueden funcionar los nuestros, ", Dice Hagan. Pero no fue fácil:en Delhi, él dice, los niveles de materia particulada eran tan altos que sus sensores inicialmente se ensuciarían fácilmente, y los sensores corren el riesgo de sobrecalentarse en días calurosos. "Diseñar en torno a eso es un divertido desafío de ingeniería, "Dice Hagan.

Después de superar esos desafíos, los sensores de bajo costo y los monitores de grado de investigación funcionaron simultáneamente durante un período de seis semanas en el invierno de 2018, muestreando el aire desde el balcón del cuarto piso de un laboratorio. Después de analizar los datos capturados, los investigadores encontraron que los sensores de bajo costo, que midió gases y partículas, no solo capturó la calidad del aire y los niveles de contaminantes de gran tamaño, pero también podría usarse para inferir las fuentes de contaminantes, incluso aquellos que los sensores no pueden detectar directamente.

Al aplicar un tipo de análisis multivariado llamado factorización matricial no negativa, los investigadores pudieron identificar, desenredar, e inferir las fuentes que contribuyeron a la señal total detectada por los sensores de bajo costo, y compare esos resultados con las mediciones más detalladas recopiladas por los monitores de grado de investigación.

Ese análisis reveló que la señal total comprendía un factor de combustión y otros dos factores, y se caracterizó por las partículas medidas desde el aire. Las partículas de combustión, que constituyen una gran fracción del total de partículas, son demasiado pequeños para ser detectados por los propios sensores, pero las mediciones de sensores de otros contaminantes co-emitidos, como el monóxido de carbono, no obstante, permitió que se infirieran.

"Estos sensores de bajo costo se pueden utilizar para algo más que realizar mediciones de rutina, y de hecho se puede utilizar para identificar fuentes de contaminación que pueden conducir a una mejor comprensión de lo que respiramos, "Dice Hagan.

Aún más, los datos recopilados por los sensores de bajo costo capturaron suficiente información sobre la contaminación ambiental de Delhi que los investigadores pudieron distinguir entre las fuentes primarias de contaminación, o partículas emitidas directamente, y fuentes secundarias, esas partículas formadas a través de reacciones químicas después de la emisión a la atmósfera.

Ese tipo de información podría facilitar la comprensión de cómo varía la calidad del aire en todo el mundo. "Uno de los puntos fuertes de los sensores de bajo costo es que pueden proporcionar información sobre la calidad del aire y las fuentes de contaminación en lugares que no se estudian bien, y muchos de estos lugares, como ciudades en el mundo en desarrollo, tienden a tener una de las peores contaminaciones del mundo, "Kroll dice.

"Con estos sensores de bajo costo, realmente podemos comprender la heterogeneidad espacial y temporal de la contaminación del aire y la exposición humana, "Dice Hagan." Eso es mucho más relevante para la forma en que las personas realmente viven sus vidas ".

Los resultados ya han inspirado estudios futuros. "Este es un primer paso crucial para mejorar la calidad del aire urbano, Kroll dice. Nos gustaría ver si podemos extenderlo a otros entornos y también a otros tipos de contaminación. Esto incluye no solo otras ciudades contaminadas, pero también relativamente limpios, como Boston ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.