Nieuw apparaat onthult loodvervuiling in de bodem met behulp van radiogolven
Radiofrequenties en Bodemverontreiniging: Nieuwe Technologie in Ontwikkeling
Radiofrequenties (RF) zijn een fundamenteel onderdeel van moderne technologie, die draadloze communicatie, gegevensoverdracht en sensortoepassingen mogelijk maken in diverse gebieden.
Een onderzoeksgroep onder leiding van Cornell Tech is in de vroege fasen van de ontwikkeling van een draagbaar en goedkoop apparaat dat radiofrequenties en machine learning gebruikt om een belangrijke taak uit te voeren: het meten van loodverontreiniging in de bodem. Het laboratorium van Rajalakshmi Nandakumar, assistent-professor aan het Jacobs Technion-Cornell Institute, heeft de SoilScanner ontwikkeld. Dit apparaat zendt radio-energie van verschillende frequenties van een RF-zender door een bodemmonster naar een RF-ontvanger, die het effect van de bodem en de hoeveelheid lood daarin op het signaal onthult.
Nandakumar is de senior auteur van het onderzoek “Feasibility of Radio Frequency Based Wireless Sensing of Lead Contamination in Soil”, dat een prijs voor het beste artikel won op de International Conference on Embedded Wireless Systems and Networks (EWSN ’24), gehouden van 10 tot 13 december in Abu Dhabi, Verenigde Arabische Emiraten. Yixuan Gao, een PhD-kandidaat in de computerwetenschappen, is de hoofdauteur. Andere bijdragers zijn Tanvir Ahmed, een doctoraatsstudent in de informatiekunde, Zhongqi (Joshua) Cheng, professor aan het Department of Earth and Environmental Sciences van Brooklyn College, en Mikhail Mohammed, een afgestudeerde van 2023 die nu voor de Environmental Protection Agency (EPA) werkt.
Nandakumar verklaarde: “In de afgelopen jaren, vooral tijdens COVID, raakten velen van ons enthousiast over het hebben van een eigen tuin of het doorbrengen van meer tijd thuis. Maar als je kijkt naar instructies voor het kweken van tomaten, vertelt niemand je dat je je bodem op lood moet controleren. Het draait allemaal om pH-niveaus. Veel van ons zijn, hoewel we vaak met de bodem omgaan, zich totaal niet bewust van mogelijke loodverontreiniging.”
Gao voegde toe dat de groep gemotiveerd werd door een kaart van loodverontreiniging in New York City die Cheng’s Urban Soils Lab had geproduceerd na jarenlange testen van honderden bodemmonsters. De tests toonden gevaarlijk hoge loodniveaus aan op veel locaties, vooral in het noorden van Brooklyn. Ongeveer 45% van de door USL onderzochte bodemmonsters had loodniveaus boven de 400 delen per miljoen (ppm), het vorige aanbevolen screeningsniveau van de EPA, dat een jaar geleden is herzien naar 200 ppm voor residentiële bodems. “Dit betekent dat er een aanzienlijke risico is bij het tuinieren in deze stedelijke bodems,” zei Gao.
Traditioneel houdt het testen op lood in de bodem in dat monsters naar een laboratorium gestuurd worden voor analyse, wat vaak gebruik maakt van sterke chemicaliën en kostbaar kan zijn, of dat een draagbaar röntgenfluorescentie-apparaat wordt gebruikt, wat voor veel gemeenschappen financieel onhaalbaar is.
Het apparaat van de groep is eenvoudig: grond wordt in een liter plastic container geplaatst tussen de zender en de ontvanger. De zender stuurt korte pulsen van enkeltonige RF-signalen op lage en hoge frequenties (700 tot 1.000 megahertz en 2,3 tot 2,5 gigahertz) door het bodemmonster. De vermogensspectra van de ontvanger worden doorgegeven aan een machine-learningmodel voor verdere analyse.
De SoilScanner is gekalibreerd en getest op twee verschillende sets monsters: 23 laboratoriumvoorbereide monsters van grond die met lood zijn verontreinigd, en 22 veldmonsters van verschillende samenstellingen. Het apparaat kon loodverontreiniging in natuurlijke veldmonsters met 72% algehele nauwkeurigheid detecteren en werd nauwkeuriger naarmate de ppm-waarde steeg, met een foutpercentage van nul wanneer de loodniveaus hoger waren dan 500 ppm.
Nandakumar’s laboratorium zal blijven samenwerken met het Urban Soils Lab, dat door Cheng is opgericht, om de SoilScanner te gebruiken op monsters die vanuit het hele land worden ingezonden. Het team werkt ook aan een nog kleiner, goedkoper, op batterijen werkend model van het apparaat, dat gebruikmaakt van Wi-Fi en RFID-chipsets zoals die in smartphones en computers. “Het doel van dit project,” zei Nandakumar, “is om deze technologie goedkoper en toegankelijker te maken—zowel voor mensen om hun eigen bodem te testen als voor overheden om plannen voor sanering te maken.”
