Un coucher de soleil depuis le toit d'un immeuble près de Connaught Place, où des capteurs à faible coût ont été colocalisés avec des instruments de référence pendant deux ans. Crédit :David Hagan
A tout moment à Delhi, Inde, un résident peut démarrer sa voiture, libérant des gaz d'échappement qui flottent dans l'atmosphère. Dans le nord-ouest de l'Inde, un fermier peut mettre le feu à son champ après la récolte du blé pour le défricher rapidement, dégageant de la fumée qui sera emportée par le vent. Une petite famille peut brûler du bois pour allumer son poêle, libérant de la suie dans le ciel. Delhi, une ville qui compte plus de 28 millions d'habitants, grouille d'activité à toute heure du jour et de la nuit. Et à mesure qu'il grandit, sa pollution aussi.
La pollution, qui se manifeste parfois par un épais smog, maladie respiratoire, et la maladie, est le point de mire de beaucoup qui espèrent identifier et éliminer ses sources. Mais pour le faire avec précision, la pollution doit être suivie par des moniteurs de qualité de l'air de qualité recherche qui mesurent les polluants, y compris les particules, le dioxyde de soufre, dioxyde d'azote, ozone, et plus, qui peut coûter jusqu'à des centaines de milliers de dollars.
Capteurs à bas prix, qui ont récemment commencé à être commercialisées, offrir aux scientifiques, créateurs de politiques, et le public la possibilité de détecter la pollution sans frais généraux élevés, mais non sans certains compromis. Jesse Kroll, professeur dans les départements de génie civil et environnemental et de génie chimique du MIT, recherche les instruments et les méthodes utilisés pour mener des recherches en chimie atmosphérique. « En termes de presque toutes les métriques de mesure :précision, précision, sensibilité, interférences, dérive, et ainsi de suite - les capteurs à faible coût sont bien en deçà de ce que l'équipement de recherche peut fournir, " dit-il. " C'est une limitation majeure, mais ce n'est généralement pas précisé par les fabricants de capteurs."
Par conséquent, Kroll dit, l'utilisation de capteurs à faible coût pour détecter la pollution reste mal caractérisée. Mais le moindre coût des capteurs, consommation d'énergie réduite, et des tailles plus petites incitent à leur adoption, leur utilisation s'est donc considérablement développée au cours des dernières années dans des pays tels que la Chine et l'Inde. "L'utilisation de ces instruments dépasse vraiment nos efforts pour comprendre ce que signifient réellement leurs données, " dit Kroll.
Le défi de clarifier et d'étendre les capacités des capteurs à faible coût dans la détection de la pollution a inspiré une étude récemment publiée dirigée par Kroll et l'étudiant diplômé David Hagan qui a comparé les performances des capteurs à faible coût avec des équipements de recherche à Delhi - et a trouvé un nouveau capacité des appareils.
Sur le campus de Delhi de l'India Institute of Technology, des instruments de recherche ont déjà échantillonné l'air du quatrième étage d'un immeuble à Hauz Khaz, mis en place et maintenu par les collaborateurs de Kroll et Hagan, Josh Apte et Lea Hildebrandt de l'Université du Texas à Austin. "Nous avons sauté sur l'opportunité de pouvoir co-localiser nos instruments avec les leurs pour prouver à quel point les nôtres pouvaient bien fonctionner, " dit Hagan. Mais ce n'était pas facile :à Delhi, il dit, les niveaux de particules étaient si élevés que leurs capteurs s'encrasseraient facilement au début, et les capteurs risquaient de surchauffer par temps chaud. "Concevoir autour de cela est un défi d'ingénierie amusant, " dit Hagan.
Après avoir surmonté ces défis, les capteurs à faible coût et les moniteurs de recherche ont fonctionné simultanément sur une période de six semaines à l'hiver 2018, échantillonner l'air depuis le balcon du quatrième étage d'un laboratoire. Après analyse des données saisies, les chercheurs ont découvert que les capteurs à faible coût, qui mesurait à la fois les gaz et les particules, non seulement capturé une vue d'ensemble de la qualité de l'air et des niveaux de polluants, mais pourrait également être utilisé pour déduire les sources de polluants, même ceux que les capteurs ne peuvent pas détecter directement.
L'étudiant diplômé Sidhant Pai répare des capteurs de qualité de l'air à bas prix près de Connaught Place, dans le centre de Delhi. Crédit :David Hagan
En appliquant un type d'analyse multivariée appelée factorisation matricielle non négative, les chercheurs ont pu identifier, démêler, et déduire les sources qui ont contribué au signal total détecté par les capteurs à faible coût, et comparer ces résultats aux mesures plus détaillées recueillies par les moniteurs de recherche.
Cette analyse a révélé que le signal total comprenait un facteur de combustion ainsi que deux autres facteurs, et a été caractérisé par les particules mesurées dans l'air. Les particules de combustion, qui constituent une grande partie de la matière particulaire totale, sont trop petits pour être détectés par les capteurs eux-mêmes, mais des mesures de capteurs d'autres polluants co-émis, comme le monoxyde de carbone, permet néanmoins de les déduire.
"Ces capteurs à faible coût peuvent être utilisés pour plus que des mesures de routine, et peut effectivement être utilisé pour identifier les sources de pollution qui peuvent conduire à une meilleure compréhension de ce que nous respirons, " dit Hagan.
Même plus loin, les données collectées par les capteurs à faible coût ont capturé suffisamment d'informations sur la pollution ambiante de Delhi pour que les chercheurs puissent distinguer les principales sources de pollution, ou des particules émises directement, et sources secondaires, ces particules formées par des réactions chimiques après émission dans l'atmosphère.
Ces types d'informations pourraient permettre de mieux comprendre comment la qualité de l'air varie dans le monde. "L'un des points forts des capteurs à faible coût est qu'ils peuvent fournir des informations sur la qualité de l'air et les sources de pollution dans des endroits qui sont sous-étudiés - et beaucoup de ces endroits, comme les villes du monde en développement, ont tendance à avoir l'une des pires pollutions au monde, " dit Kroll.
« En utilisant ces capteurs à faible coût, on peut vraiment comprendre l'hétérogénéité spatiale et temporelle de la pollution de l'air et de l'exposition humaine, ", dit Hagan. "C'est beaucoup plus pertinent pour la façon dont les gens vivent réellement leur vie."
Les résultats ont déjà inspiré de futures études. "C'est une première étape cruciale dans l'amélioration de la qualité de l'air urbain, ", dit Kroll. "Nous aimerions voir si nous pouvons l'étendre à d'autres environnements et à d'autres types de pollution également. Cela inclut non seulement d'autres villes polluées, mais aussi relativement propres, comme Boston."
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
