Skip to main content
2021-09-07

Elke dag staan we op en proberen we ons beste leven te leiden. Niet alleen gaan we naar het werk en maken we tijd vrij voor ons gezin en onze vrienden, maar we moeten ons ook inspannen om ons lichaam en onze geest gezond te houden. Helaas is er één factor die onze gezondheid beïnvloedt, maar waar we als individu weinig controle over hebben: luchtverontreiniging. Het Milieuprogramma van de Verenigde Naties heeft 7 september uitgeroepen tot de “Internationale dag van schone lucht voor een blauwe hemel” om de nadruk te leggen op de noodzaak dit mondiale probleem aan te pakken, dat jaarlijks aan 7 miljoen mensen het leven kost.

Bij verbrandingsprocessen komen onder meer NO- en NO2-moleculen vrij, waarvan deze laatste een bekende oorzaak van ademhalingsproblemen is. Bij het BIRA zijn onze wetenschappers en ingenieurs al verschillende jaren bezig met de ontwikkeling en verfijning van een draagbaar instrument, de NO2-camera, om ons te helpen dit probleem aan te pakken.

Oorzaken en gevolgen van stikstofdioxide-verontreiniging

In België zijn er in stedelijke en industriële gebieden nog steeds veel luchtverontreinigende stoffen zoals zwaveldioxide (SO2), troposferisch ozon (O3), fijnstof (PM) en stikstofdioxide (NO2) te vinden. Bij het BIRA zijn onze wetenschappers en ingenieurs al jaren bezig met de ontwikkeling en verfijning van een instrument dat niet alleen NO2 kan meten, maar ook om de verspreiding ervan boven stedelijke gebieden of in uitlaatgassenin kaart te brengen.

NO2 is een zeer reactief, onzichtbaar gas dat ontstaat bij de verbranding van brandstof, gebruikt voor vervoers-, industriële of verwarmingsdoeleinden. Het inademen van lucht met hoge concentraties NO2 kan onze luchtwegen irriteren. Dit kan bestaande aandoeningen van de luchtwegen verergeren en na langdurige blootstelling bijdragen tot de ontwikkeling van ademhalingsproblemen of infecties.

Bovendien reageert NO2 met andere chemicaliën in de lucht en vormt zo zowel fijnstof als troposferisch ozon, die nog schadelijker zijn voor onze gezondheid. Het kan ook zure regen produceren, wat schadelijk is voor gewassen en ecosystemen. Ten slotte verhoogt het de stikstofconcentratie in zowel de lucht als het water, wat de mariene ecosystemen kan verstoren.

Het onzichtbare wordt zichtbaar gemaakt

Het atmosferisch NO2-gehalte wordt al geruime tijd vanuit de ruimte gemeten. Hoewel aardobservatiesatellieten de verontreiniging op globaal niveau kunnen vastleggen, kan met de bereikte ruimtelijke resolutie (het aantal pixels, en dus detail in een beeld) echter nauwelijks de uitstoot op stadsschaal worden gemeten. Anderzijds leveren luchtkwaliteitsstations op de grond plaatselijke metingen op die niet altijd een goed beeld geven van de verontreiniging, bijvoorbeeld op het volgende kruispunt of een straat verder. Zij kunnen slechts een klein gebied bestrijken. Er ontbreekt dus een instrument dat de leemte tussen de grootschalige en de kleinschalige metingen kan opvullen Een instrument dat de lokale verontreiniging met een hoge ruimtelijke resolutie kan oplossen.

Dit is de reden waarom de NO2-camera werd ontwikkeld. Met dit instrument kunnen we overal met een duidelijk gezichtsveld metingen uitvoeren: in de bruisende haven van Antwerpen, op een stadsdak, of in de Wetstraat in hartje Brussel! De camera stelt ons ook in staat de stikstofverontreiniging in verschillende situaties te meten: een enkele dynamische emissie van verontreiniging monitoren (zoals een industriële pluim), als de algemene omgevingsconcentratie over een groot gebied bestuderen (zoals de skyline van een stad).

Waar kom je vandaan en waar ga je heen?

the Altius missionHet idee voor de NO2-camera is gebaseerd op een soortgelijk instrument voor de ALTIUS-missie, een satellietmissie op initiatief van het BIRA en gepland voor lancering in 2025 als onderdeel van het Earth Watch-programma van ESA. Zodra ALTIUS operationeel is, zal het verschillende observatietechnieken (meetgeometrieën) kunnen combineren om de atmosfeer van de aarde te monitoren, zelfs wanneer het zich aan de nachtzijde van de planeet bevindt (wanneer klassieke observatiemethoden falen door gebrek aan zonlicht om spectrale metingen uit te voeren). Het zal stratosferisch ozon (onze beschermende ozonlaag) monitoren, evenals andere soorten zoals NO2, NO3, waterdamp, aërosolen en meer. Nieuwe missies zoals deze zijn nodig om de trend van herstel van de ozonlaag te volgen.

Het concept van het instrument berust op de verstrooiing van het zonlicht door luchtmoleculen in het gezichtsveld van het instrument. Langs de lichtweg vindt absorptie door verschillende moleculen plaats, met variabele sterkte als functie van de golflengte (de kleur van het licht). NO2, bijvoorbeeld, absorbeert hoofdzakelijk in het blauw, terwijl O3 hoofdzakelijk in het ultraviolet (UV) absorbeert, en een beetje in het rood. Door de karakteristieke signatuur van de molecule in het opgenomen licht te herkennen, kan men de hoeveelheid van het gas in de lichtbaan bepalen.

Turceni NO2
De verdeling van NO2 in de pluim van een kolengestookte
elektriciteitscentrale, Turceni, Roemenië.

Terwijl hij aan een prototype van ALTIUS werkte, merkte onderzoeker Emmanuel Dekemper het potentieel op voor een op de grond gebaseerd instrument. Het idee werd voor het eerst getest door het prototype uit het laboratorium te halen voor een meetcampagne bij een van de meest vervuilende elektriciteitscentrales van Europa, in Roemenië. Samen met collega's Jurgen Vanhamel en Bert Van Opstal werd het prototype bediend, en het leverde ongeziene resultaten op: het NO2-veld in de pluim kon worden waargenomen als nooit tevoren.

De succesvolle metingen hebben geleid tot een ronde van optimalisaties. De verbeteringen betroffen elk aspect: verkleining van grootte, massa en stroomverbruik van het instrument, verhoging van de beeldsnelheid, betere besturingssoftware, meer performante algoritmen voor gegevensverwerking en meer...

Het nieuwe instrument werd getest vanop het dak van ons Instituut, waar er een vrij zicht is naar het centrum van Brussel toe. Voor het eerst kon de vervuiling boven de hoofdstad van België in kaart worden gebracht, en gemeten met een zeer hoge ruimtelijke resolutie.

 

NO2 camera on the Institute rooftop
Links: ingenieur Jurgen Vanhamel naast de NO2-camera. Rechts: NO2 boven Brussel. Het hoge gebouw links is de IT-toren aan het einde van de Louizalaan.

 

placement of the NO2 camera
Plaatsing van de NO2-camera en het gezichtsveld ervan tijdens een meettest in april 2021 [afbeelding aangepast van
Google maps].

Eerder dit jaar werd een nieuwe test uitgevoerd, dit keer vanuit de stad zelf, in de Europese wijk. De NO2-camera werd geïnstalleerd in de buurt van de Schumann-rotonde en het Berlaymont-gebouw, en gericht op de Wetstraat. Deze locatie bood de mogelijkheid om de verontreiniging te bekijken boven een van de drukste wegen van Brussel.

Een ander voordeel van deze plek is dat het zicht wordt belemmerd door een groot, wit gebouw, 1600 meter verderop. Voor een optisch instrument als de NO2-camera is dit een interessante configuratie, aangezien het pad van het licht begrensd is.

Rue de la Loi No2
Links: de NO2 camera kijkt naar de Wetstraat. Rechts: NO2 –hoeveelheid boven de horizon.

Het eigenaardige is dat sommige gebouwen in de Europese wijk (zoals het "Lex"-gebouw) zo goed reflecteren dat NO2-metingen zelfs zouden kunnen worden verricht aan de hand van het licht dat op hun ramen wordt weerkaatst.

Lex building reflects light
Het "Lex"-gebouw is zo reflecterend dat NO2-metingen konden worden uitgevoerd aan de hand van het weerkaatste licht op de ramen.

 

Hoewel de camera sinds zijn conceptie al een lange weg heeft afgelegd, blijven er nog heel wat mogelijkheden open voor verdere ontwikkeling. Concrete toepassingen zijn onder meer het gebruik van de BIRA-technologie om de stikstofdioxide-uitstoot te monitoren van schepen die door het drukke kanaal langs de Belgische kust varen, om meetcampagnes op straatniveau of zelfs vanuit de lucht uit te voeren met drones of HAPS-drones (High Altitude Pseudo Satellite), en om een tomografie van de stedelijke vervuiling vanaf de grond te realiseren.

 

News image 1
News image legend 1
Meten van luchtverontreiniging op straatniveau met de NO2-camera
News image 2
News image legend 2
De NO2-camera staart naar een schip in de haven van Antwerpen.
News image 3
News image legend 3
Emmanuel Dekemper, toen het werk begon aan de voorloper van de NO2-camera, het ALTIUS visible channel breadboard.