In qualsiasi momento a Delhi, India, un residente potrebbe avviare la propria auto, rilasciando gas di scarico che galleggia nell'atmosfera. Nel nord-ovest dell'India, un contadino potrebbe dare fuoco al suo campo dopo la mietitura del grano per ripulirlo rapidamente, rilasciando fumo che sarà portato dal vento. Una piccola famiglia potrebbe bruciare la legna per accendere la stufa, rilasciando fuliggine nel cielo. Delhi, una città che vanta una popolazione di oltre 28 milioni di abitanti, brulica di attività a tutte le ore del giorno e della notte. E man mano che cresce, cresce anche il suo inquinamento.

L'inquinamento, che a volte si manifesta come denso smog, malattie respiratorie, e malattia, è al centro di molti che sperano di identificare ed eliminare le sue fonti. Ma per farlo con precisione, l'inquinamento deve essere monitorato da monitor della qualità dell'aria a livello di ricerca che misurano gli inquinanti, compreso il particolato, diossido di zolfo, diossido di azoto, ozono, e altro ancora, che può costare fino a centinaia di migliaia di dollari.

Sensori a basso costo, che hanno recentemente iniziato a essere commercializzati, offrire agli scienziati, politici, e al pubblico l'opportunità di rilevare l'inquinamento senza costi generali elevati, ma non senza alcuni compromessi. Jesse Kroll, un professore nei dipartimenti del MIT di Ingegneria Civile e Ambientale e Ingegneria Chimica, ricerca gli strumenti e i metodi utilizzati per condurre ricerche di chimica atmosferica. "In termini di quasi tutte le metriche di misurazione:precisione, precisione, sensibilità, interferenze, deriva, e così via:i sensori a basso costo sono molto al di sotto di ciò che le apparecchiature di livello di ricerca possono fornire, " dice. "Questo è un grosso limite, ma di solito non è chiarito dai produttori di sensori."

Di conseguenza, Kroll dice, l'uso di sensori a basso costo per rilevare l'inquinamento rimane poco caratterizzato. Ma il costo inferiore dei sensori, minor consumo di energia, e taglie più piccole ne incentivano l'adozione, quindi il loro uso si è notevolmente ampliato negli ultimi anni in paesi come la Cina e l'India. "L'uso di questi strumenti sta davvero superando i nostri sforzi per capire cosa significano effettivamente i loro dati, " dice Kroll.

La sfida di chiarire ed espandere le capacità dei sensori a basso costo nel rilevamento dell'inquinamento ha ispirato uno studio recentemente pubblicato condotto da Kroll e dallo studente laureato David Hagan che ha confrontato le prestazioni dei sensori a basso costo con le apparecchiature di ricerca a Delhi e ha trovato un nuovo capacità dei dispositivi.

Nel campus di Delhi dell'India Institute of Technology, una strumentazione di alto livello ha già campionato l'aria dal quarto piano di un edificio ad Hauz Khaz, istituito e mantenuto da Kroll e collaboratori di Hagan, Josh Apte e Lea Hildebrandt dell'Università del Texas ad Austin. "Abbiamo colto al volo l'opportunità di essere in grado di collocare insieme i nostri strumenti con i loro per dimostrare quanto bene potesse funzionare il nostro, " dice Hagan. Ma non è stato facile:a Delhi, lui dice, i livelli di particolato erano così alti che i loro sensori inizialmente si sarebbero sporcati facilmente, e i sensori rischiavano di surriscaldarsi nelle giornate calde. "Progettare intorno a questo è una divertente sfida ingegneristica, " dice Hagan.

Dopo aver superato queste sfide, i sensori a basso costo e i monitor di livello di ricerca hanno funzionato contemporaneamente per un periodo di sei settimane nell'inverno 2018, campionamento dell'aria dal balcone del quarto piano di un laboratorio. Dopo aver analizzato i dati acquisiti, i ricercatori hanno scoperto che i sensori a basso costo, che misurava sia i gas che le particelle, non solo catturato un quadro generale della qualità dell'aria e dei livelli di inquinamento, ma potrebbe anche essere usato per dedurre le fonti di inquinanti, anche quelli che i sensori non possono rilevare direttamente.

Applicando un tipo di analisi multivariata chiamata fattorizzazione di matrici non negative, i ricercatori sono stati in grado di identificare, districare, e dedurre le sorgenti che hanno contribuito al segnale totale rilevato dai sensori a basso costo, e confrontare questi risultati con le misurazioni più dettagliate raccolte dai monitor di livello di ricerca.

Tale analisi ha rivelato che il segnale totale comprendeva un fattore di combustione e altri due fattori, ed è stato caratterizzato dalle particelle misurate dall'aria. Le particelle di combustione, che costituiscono una grande frazione del particolato totale, sono troppo piccoli per essere rilevati dai sensori stessi, ma misurazioni del sensore di altri inquinanti co-emessi, come il monossido di carbonio, consentito comunque di dedurli.

"Questi sensori a basso costo possono essere utilizzati per qualcosa di più che effettuare misurazioni di routine, e può effettivamente essere utilizzato per identificare fonti di inquinamento che possono portare a una migliore comprensione di ciò che respiriamo, " dice Hagan.

Ancora di più, i dati raccolti dai sensori a basso costo hanno catturato informazioni sufficienti sull'inquinamento ambientale di Delhi che i ricercatori hanno potuto distinguere tra fonti primarie di inquinamento, o particelle emesse direttamente, e fonti secondarie, quelle particelle formatesi tramite reazioni chimiche dopo l'emissione nell'atmosfera.

Questi tipi di informazioni potrebbero rendere più facile capire come varia la qualità dell'aria nel mondo. "Uno dei punti di forza dei sensori a basso costo è che possono fornire informazioni sulla qualità dell'aria e sulle fonti di inquinamento in luoghi poco studiati, e molti di questi luoghi, come le città dei paesi in via di sviluppo, tendono ad avere uno dei peggiori inquinamenti al mondo, " dice Kroll.

"Utilizzando questi sensori a basso costo, possiamo davvero comprendere l'eterogeneità spaziale e temporale dell'inquinamento atmosferico e dell'esposizione umana, " Hagan dice. "Questo è molto più rilevante per il modo in cui le persone vivono effettivamente le loro vite".

I risultati hanno già ispirato studi futuri. "Questo è un primo passo cruciale per migliorare la qualità dell'aria urbana, " Dice Kroll. "Vorremmo vedere se possiamo estenderlo ad altri ambienti e anche ad altri tipi di inquinamento. Questo include non solo altre città inquinate, ma anche relativamente puliti, come Boston".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.