Reducción de la contaminación atmosférica gracias a nuevos sensores fotónicos ágiles
Las zonas urbanas están acosadas por contaminantes atmosféricos, perjudiciales para la salud y el medio ambiente. Como gases de efecto invernadero, el dióxido de carbono (CO₂) y el metano (CH₄) están implicados en el calentamiento global, los óxidos de nitrógeno (NOx) son perjudiciales para los sistemas respiratorio y cardiovascular, el monóxido de carbono (CO) interfiere en el transporte de oxígeno en la sangre, y el carbono negro (BC) está relacionado con enfermedades cardiovasculares y respiratorias y contribuye al cambio climático. Aunque en la actualidad los sistemas de control del aire de alta precisión pueden medir estos contaminantes, los equipos suelen ser grandes y fijos, su mantenimiento es costoso y requieren calibraciones frecuentes. Según Liam O’Faolain, coordinador del proyecto PASSEPARTOUT, financiado con fondos europeos: «El reto es diseñar sensores fotónicos más pequeños y baratos, que sigan siendo lo suficientemente buenos para fines normativos y científicos, y que las autoridades públicas puedan actuar». El equipo de PASSEPARTOUT ha desarrollado una nueva generación de sensores ópticos en miniatura, sin calibración, sensibles y selectivos, capaces de detectar contaminantes fundamentales en una amplia gama espectral, a niveles extremadamente bajos.
Cartografía de alta resolución de la contaminación
En primer lugar, el equipo desarrolló un conjunto de sensores en miniatura de alto rendimiento que utilizan espectroscopia fotoacústica mejorada con cuarzo(se abrirá en una nueva ventana) (QEPAS, por sus siglas en inglés) para la detección de gases e interferometría fototérmica(se abrirá en una nueva ventana) (PTI, por sus siglas en inglés) para la detección de BC. En ellos se emplearon tecnologías láser avanzadas como láseres en cascada interbanda(se abrirá en una nueva ventana) (ICL, por sus siglas en inglés), láseres en cascada cuántica(se abrirá en una nueva ventana) (LCC) y láseres de diodo para lograr la detección en una amplia gama del infrarrojo medio. «Como las longitudes de onda a las que un gas absorbe la luz son constantes y predecibles, pueden utilizarse láseres para la detección, lo que significa que el sistema no necesita recalibrarse constantemente», señala O’Faolain, de la Universidad Tecnológica de Munster(se abrirá en una nueva ventana), entidad anfitriona del proyecto. Los componentes del sensor se combinaron en unidades analizadoras compactas, para su despliegue como analizadores fijos en infraestructuras como farolas, analizadores móviles montados en vehículos, y analizadores aéreos en drones para cartografía tridimensional. Los datos de los sensores se transmiten de forma inalámbrica a servidores en la nube a través de redes de área extensa de baja potencia o conexiones de datos móviles. A continuación, el sistema utiliza programas informáticos y análisis de datos basados en inteligencia artificial, desarrollados por el equipo, para modelizar la dispersión de la contaminación en el espacio y el tiempo, identificar los focos de contaminación y las tendencias, y hacer predicciones. Como complemento, se desarrolló la aplicación AIRTOWN(se abrirá en una nueva ventana) para emitir alertas, visualizarlas y hacer recomendaciones a los usuarios.
Ensayos de campo satisfactorios
Tras las pruebas de laboratorio, PASSEPARTOUT realizó ensayos sobre el terreno en los alrededores de colegios de Cork (Irlanda), y en Italia, en los alrededores del puerto de Génova y de una zona de aparcamiento de Bari. «Las mediciones instantáneas y de alta sensibilidad proporcionadas tanto por los analizadores QEPAS multigás como por los sensores fototérmicos de carbono negro demostraron su potencial, representando un avance importante en la tecnología de detección ambiental accesible», afirma O’Faolain. Además, los láseres en cascada interbanda con conexión en espiral de fibra de Nanoplus, entidad socia del proyecto, que eliminan la necesidad de una alineación óptica compleja y permiten enchufar y usar, ya están despertando interés. El primer circuito integrado fotónico (PIC, por sus siglas en inglés) de PASSEPARTOUT para la espectroscopia fototérmica de detección de gases y la interferometría fototérmica del BC también ofrece un potencial importante. «La integración de múltiples fuentes de luz y guías de ondas en un único chip para la detección precisa de gases es una fusión de vanguardia de la nanofotónica y la ciencia ambiental», añade O’Faolain.
Apoyar la formulación de políticas con base científica
PASSEPARTOUT se ajusta a varias de las políticas y estrategias clave de la Unión Europea (UE), entre ellas el Pacto Verde Europeo(se abrirá en una nueva ventana), el Plan de Acción de la UE «Contaminación cero para el aire, el agua y el suelo»(se abrirá en una nueva ventana) y las misiones de la UE sobre ciudades climáticamente neutras e inteligentes. «Nuestra solución permitirá crear las redes de vigilancia necesarias para generar datos locales y al instante sobre la contaminación, esenciales para evaluar la repercusión de las intervenciones y realizar ajustes», afirma O’Faolain. Los investigadores se centran ahora en desplegar una red de alta densidad de analizadores en zonas urbanas seleccionadas para la recogida de datos sobre contaminación hiperlocal (a pie de calle), acompañada de intervenciones de tráfico específicas de prueba, como zonas de bajas emisiones.
