Fortschrittliche Sensortechnologien ermöglichen eine personalisierte Überwachung der Luftqualität

Es ist überall um uns herum, aber wenn es kein Problem gibt, kümmern wir uns normalerweise nicht darum, was in der Luft ist, die wir atmen. Sowohl im Innen- als auch im Außenbereich kann eine schlechte Luftqualität unsere Gesundheit und unser Wohlbefinden stark beeinträchtigen. Zwei wichtige Indikatoren für die Messung der Luftverschmutzung sind kleine Partikel (PM) von 2,5 µm (Mikron) oder weniger (PM2,5) und flüchtige organische Verbindungen (VOCs). Sie werden beispielsweise in Haushalten durch Kamine und Kerzen bei Verbrennungsprozessen emittiert. Auch Alltagsgegenstände wie Reinigungsmittel, Möbel oder Textilien können VOCs emittieren. Dieser Artikel bietet Einblicke in neue PM2,5- und VOC-Erfassungstechnologien, die eine persönliche Überwachung der Luftqualität ermöglichen, um die Gesundheit und das Wohlbefinden der Menschen zu verbessern.

Persönliche PM2.5-Überwachung

Wir wissen, dass die Exposition gegenüber Feinstaub ernsthafte Gesundheitsprobleme verursachen kann, und die Weltgesundheitsorganisation (WHO) sagt:"Durch die Reduzierung der Luftverschmutzung können Länder die Krankheitslast verringern von Schlaganfall, Herzerkrankungen, Lungenkrebs und sowohl chronischen als auch akuten Atemwegserkrankungen, einschließlich Asthma.“ ¹

Obwohl Feinstaub in einer Vielzahl von Partikelgrößen vorkommt, haben Partikel im Bereich von PM2,5 die größte Auswirkung auf die menschliche Gesundheit, ² die einen Durchmesser von weniger als 2,5 µm haben. Diese winzigen PM2,5-Partikel können leicht tief in die Lunge eindringen und ernsthafte Gesundheitsprobleme verursachen. Obwohl die Forschung noch im Gange ist, gibt es Hinweise darauf, dass die PM2,5-Exposition mit der Empfindlichkeit gegenüber Viruserkrankungen, einschließlich SARS-CoV-2, in Verbindung gebracht werden kann, wie in einer aktuellen Studie der Harvard University diskutiert. ³

Offizielle Luftqualitätsmessstationen liefern nur konsolidierte oder gemittelte Daten für die Außenumgebung ohne die entsprechenden Innenraumluftdaten. Sie generieren keine personalisierten Informationen und messen die Luftqualität nur in ihrer unmittelbaren Umgebung, die über einen Zeitraum gemittelt wird, und ihnen fehlen daher Echtzeitinformationen, um die sich schnell ändernde Umwelt um uns herum zu verfolgen und die Schwankungen der lokalen PM-Werte zu überwachen.

Ein tragbares Luftqualitätsmessgerät oder Dosimeter zur Messung der Luftverschmutzung – zum Beispiel in unseren Smartphones oder Wearables – könnte dieses Problem lösen. Bisher waren PM2.5-Sensoren für mobile Geräte einfach zu groß. Bosch Sensortec hat kürzlich eine Sensortechnologie entwickelt, mit der die Überwachung der persönlichen Belastung durch Luftverschmutzung jetzt realisierbar wird.

Mit der neuen Bosch PM2.5-Technologie ist es jetzt möglich, die PM2.5-Erfassung in mobile Geräte zu integrieren, um die tägliche PM-Exposition einer Person zu messen. Dem Benutzer können Daten und Trends zu den lokalen Verschmutzungsgraden angezeigt werden, denen er ausgesetzt ist. Die Überwachung der persönlichen Belastung durch Luftverschmutzung (z. B. mit dem Smartphone) ermöglicht Benutzern, zuverlässige und transparente Informationen zu erhalten, die es ihnen ermöglichen, Maßnahmen zu ergreifen und ihre PM2,5-Exposition gemäß den Luftqualitätsrichtlinien der WHO zu minimieren. ⁴ Dies kann dazu beitragen, die Gesundheit und das Wohlbefinden der Menschen zu verbessern.

Beispiel:Abbildung 1 zeigt eine PM2.5-Dosimeter-Demonstrations-App, die in Zusammenarbeit mit der Firma BreezoMeter erstellt wurde. Die Dosimeter-App berechnet die persönliche tägliche PM-Exposition, indem sie lokal gemessene PM-Daten mit der Bosch PM 2.5-Sensortechnologie und BreezoMeter-Luftverschmutzungsdaten kombiniert.

Abbildung 1:Partikelmessdosimeter

Kleine Partikelsensortechnologie

Herkömmliche optische PM-Sensoren für Verbraucher stützen sich auf einen eingebauten Lüfter, um Luft durch eine Zelle zu saugen, in der die Partikelzahl registriert und die Konzentration pro Volumeneinheit berechnet wird. Das Problem bei diesem Ansatz ist die schiere physische Größe eines solchen Sensors, normalerweise etwa die Größe einer Streichholzschachtel, was ihn für die Verwendung in einem flachen tragbaren Gerät wie einem Smartphone unpraktisch macht.

Die einzigartige PM-Sensortechnologie, die kürzlich von Bosch Sensortec entwickelt wurde, benötigt nur einen natürlichen Umgebungsluftstrom, um zu funktionieren. Es basiert auf einem kameraähnlichen Prinzip, bei dem drei augensichere Laser der Klasse 1 hinter einer Glasabdeckung integriert sind, ähnlich wie die Kameras in einem Smartphone.

Dieser neuartige Ansatz ermöglicht es Bosch Sensortec, eine PM-Sensorlösung mit drastisch kleineren Abmessungen zu entwickeln, die etwa ein Fünfhundertstel (0,2%) des Volumens anderer Lösungen auf dem Markt einnimmt. Diese Reduzierung auf die Größe eines Streichholzkopfes macht diese neue Technologie ideal für die persönliche PM2,5-Messung in Consumer-Geräten. Es hat einen geringen Stromverbrauch, ist wartungsfrei und kann in eine wasserdichte Anwendung integriert werden.

Erkennen von VOCs

Ein weiterer Grund zur Besorgnis in der Luft sind flüchtige organische Verbindungen (VOCs), eine ziemlich große Gruppe chemisch reaktiver Gase, die in jedem Raum auftreten können. Da Menschen normalerweise 90 % ihres Lebens in Innenräumen verbringen, kann die Konzentration von VOCs in der Raumluft unser Wohlbefinden und unsere Gesundheit erheblich beeinträchtigen.

Ein VOC-Sensor kann sowohl innerhalb von Gebäuden als auch im Freien eine Vielzahl von Gasen erkennen, wie (Kohlenwasserstoff-)Kohlenstoffverbindungen (z. B. Alkohol oder CO), Sulfidverbindungen (die unangenehme Gerüche verursachen, z. B. H₂ S) und Lösungsmittel (z. B. Aceton). Sie stammen beispielsweise aus Farben, Lacken oder Reinigungsmitteln. In einem Smart Home helfen VOC-Informationen, mehrere Geräte zu steuern, wie zum Beispiel das Ein- und Ausschalten einer Dunstabzugshaube oder das Starten eines Luftreinigers. Darüber hinaus kann es verwendet werden, um Warnungen zu generieren; B. durch die Erkennung eines Feuers oder gar verdorbener Lebensmittel in einem Kühlschrank. VOC-Daten können auch mit anderen Internet-of-Things-Anwendungen verwendet werden; zum Beispiel die Optimierung der Belüftung in einem Bürogebäude basierend auf der Luftqualität.

Abbildung 2:Einfluss von VOCs und PM2,5 auf die Luftqualität

Zur Messung von VOCs hat Bosch einen kompakten, leistungsstarken Gassensor entwickelt. Der BME680 ist die kleinste Lösung der Welt, die eine Vier-in-Eins-Luftqualitätsüberwachung bietet. Es kann Umgebungstemperatur, Luftdruck, relative Luftfeuchtigkeit und Gase messen und ist in einem 3 × 3 × 0,93-mm ³ . untergebracht Paket. Es arbeitet im Ultra-Low-Power-Bereich, bis zu weniger als 0,1 mA.

Der Sensor kann zwischen Frischluft (d. h. saubere Luft, hauptsächlich Stickstoff, Sauerstoff und Feuchtigkeit) und verbrauchter Luft mit zusätzlichen Schadstoffen unterscheiden. Wenn sich Personen in Räumen aufhalten, ist die Ausatemluft in der Regel einer der wichtigsten Gründe für eine schlechte Luftqualität. Die Kenntnis der in der Umgebungsluft enthaltenen Ausatemluftmenge hilft bei der Optimierung der Belüftung und trägt so dazu bei, die Übertragung von Infektionen wie SARS-CoV-2 durch die Luft zu verhindern. ⁵ Obwohl VOC-Sensoren Viren nicht direkt erkennen können, tragen sie indirekt zur Gesundheit und zum Wohlbefinden der Menschen bei.

Intelligente Software verwandelt die gesammelten Sensordaten in nützliche Ausgaben für die Benutzer. Durch die Kombination moderner Gasmesstechniken mit künstlicher Intelligenz können nun unterschiedliche Umgebungsbedingungen erkannt und klassifiziert werden, was viele neue Anwendungen ermöglicht.

Betrachten wir ein fortgeschrittenes Beispiel für die Risikobewertung für die Kartierung des Waldklimas und die frühzeitige Erkennung von Waldbränden. Zunächst kartiert ein Sensornetzwerk das gesamte Gebiet mit einer Echtzeitansicht aller Umweltaktivitäten. Zweitens wird maschinelles Lernen verwendet, um auf Basis von Rohdaten ein mathematisches Modell zu erstellen, um verschiedene Situationen zu klassifizieren und vorherzusagen und Risiken einzuschätzen. Und drittens dient Edge-KI dazu, das Endprodukt an die bereichsspezifischen Gegebenheiten des einzelnen Nutzers anzupassen und den Stromverbrauch zu senken.

Abbildung 3:Das Waldklima-Beispiel

Eine andere Anwendung könnte die Erkennung sein, wann die Windel eines Babys gewechselt werden muss. Die Sensorhardware kann Temperatur, Druck, Feuchtigkeit und das Vorhandensein von Gasen messen – aber die Eltern möchten diese Detailgenauigkeit nicht; sie müssen nur wissen, wann Handlungsbedarf besteht. Da etwa 19 % der Bevölkerung über 20 an Geruchsstörungen leiden, können diese "grundlegenden" Informationen ihnen helfen, wieder etwas Lebensqualität zu erlangen. ⁶ Ein mathematisches Modell, das mit maschinellem Lernen entwickelt wurde, kann verwendet werden, um die rohen Sensordaten in eine einfache Statusanzeige zu übersetzen, wobei die KI das Modell im Betrieb verfeinert.

Abbildung 4:Die Windelanwendung

Bosch erweitert das Sortiment des Gassensors weiter, um neue Fähigkeiten hinzuzufügen und neue Anwendungsfälle zu ermöglichen. Neue Gassensortechnologien werden eine ausgefeiltere Software und ein breiteres Spektrum an Gasdetektionsfähigkeiten umfassen. Der Gassensor könnte beispielsweise unterschiedliche Gaszusammensetzungen erkennen – was im Vergleich mit Referenzdaten eine Identifizierung von Gerüchen ermöglichen würde (Abbildung 5 ). Beispiele für Anwendungsfälle können die Überwachung des Sauberkeitszustands öffentlicher Räume, die Klassifizierung von Mundgeruch oder die Erkennung verdorbener Lebensmittel sein.

Abbildung 5:Umgebungssensorik erkennt unterschiedliche Gaszusammensetzungen.

Schlussfolgerung

Durch die Generierung genauer, personalisierter Echtzeitdaten zur Luftqualität werden diese neuen Sensortechnologien die Art und Weise verändern, wie wir die Luftqualität um uns herum beurteilen, und es uns ermöglichen, entsprechend zu reagieren. Wir werden besser planen, wann wir draußen sind, um unsere Pendler- oder Sportaktivitäten anzupassen. Wir werden die Luftqualität in unseren Häusern steuern, indem wir die Belüftung kontrollieren und die Bildung von Partikeln vermeiden. In einem breiteren Rahmen wird dies uns auch helfen, fundierte Entscheidungen zu treffen; zum Beispiel beim Umzug in ein neues Gebiet oder bei der Entscheidung, wo man in den Urlaub fahren möchte. Mit dem zunehmenden Bewusstsein, die Umwelt und uns selbst gesund zu halten, wird die Nachfrage nach Luftqualitätsanwendungen in Zukunft weiter steigen.

Die Technologien zur Luftqualitätsmessung von Bosch sind klein genug, um in flachen tragbaren Geräten wie Smartphones verwendet zu werden, und kostengünstig genug für eine breite Akzeptanz – was sowohl dem Einzelnen als auch der Gesellschaft insgesamt spürbare Vorteile bringen wird.

Referenzen

¹ WHO, „Umgebungsluftverschmutzung (im Freien), https://www.who.int/news-room/…

² Department for Environment Food &Rural Affairs, Public Health:„Sources and Effects of PM2.5“, https://laqm.defra.gov.uk/publ…

³ Harvard University, „Linking Air Pollution to Higher Coronavirus Death Rates“, https://www.hsph.harvard.edu/b…

⁴ https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/ambient-(outdoor)-air-quality-and-health

⁵ Umwelt international:„Luftgestützte Übertragung von SARS-CoV-2:Die Welt sollte sich der Realität stellen“, 2020, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S016041202031254X

⁶ Harvard Medical School:„Smell Störungen:Wenn Ihr Geruchssinn in die Irre geht“, 2018, https://www.health.harvard.edu/blog/smell-disorders-when-your-sense-of-smell-goes-astray -2018121215539

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht am unsere Schwesterseite EEWeb.