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Chemische Gefahrstoffe Participatory Sensing von chemischen Gefahrstoffen in der Luft

Autor / Redakteur: Roman Kernchen* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Die Gefahr von Kontaminationen in unserer hochtechnisierten Umgebung ist allgegenwärtig. Die Entwicklung neuer Sensorsysteme kann in Kombination mit modernen Übertragungstechniken dazu beitragen, per Participatory Sensing eine flächendeckende Überwachung z.B. hinsichtlich chemischer Gefahrstoffe zu gewährleisten.

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Abb.1: Anwendungsszenario von Participatory Sensing für das Aufspüren von chemischen Gefahrstoffen mit vernetzten Sensoren
Abb.1: Anwendungsszenario von Participatory Sensing für das Aufspüren von chemischen Gefahrstoffen mit vernetzten Sensoren
(Bild: Kernchen)

Der technologische Fortschritt macht es in zunehmendem Maße möglich, durch die Verbindung von Analysegeräten für das Gefahrstoffmonitoring und drahtlosen Kommunikationsvorrichtungen leistungsfähige Sensornetze zu entwickeln, welche eine Überwachung der Umwelt hinsichtlich der Anwesenheit gesundheitsgefährdender chemischer Substanzen über weite Areale erlaubt. Solche drahtlosen Sensornetze [1, 6], die zu den Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts zählen, könnten zukünftig schädliche Gefahrstoffeinträge vor Ort erfassen, verarbeiten und an andere Sensorknoten oder eine zentrale Instanz weiterleiten, um so kontinuierlich ein präzises Lagebild der Gefahrstoffbelastung der Umwelt zu schaffen.

Participatory Sensing als Alternative für die Gefahrstoff-Überwachung

Als Alternative zu konventionellen Sensornetzen, welche auf mehr oder weniger statisch platzierten Sensorknoten beruhen, werden dabei heute auch zunehmend Forschungs- und Entwicklungsansätze verfolgt, bei denen der Mensch bzw. dessen Fahrzeuge als Träger von Sensorknoten in Systeme eingebunden werden. Die Einbeziehung von normalen Bürgern ohne spezielle fachliche Ausbildung in die sensorische Erfassung und Weitergabe von umweltbezogenen Daten ist die Quintessenz des so genannten Participatory Sensing [4]. Eine besondere Bedeutung kommt bei diesem neuartigen Forschungs- und Entwicklungsansatz dem Nachweis von chemischen Gefahrstoffen im urbanen Luftraum mittels vernetzter personen- oder fahrzeuggebundener Sensoren zu. Die Überwachung der Gefahrstoffkonzentrationen in der Luft ist neben Anwendungsmöglichkeiten als Tsunami-Frühwarnsysteme und zur Beobachtung von Wetterinformationen oder Verkehrsströmen ein derzeit intensiv verfolgtes Participatory-Sensing-Anwendungsgebiet [2, 8].

Der Mensch ist beim Participatory Sensing in der Regel in den Prozess der Datenerfassung involviert und entscheidet über den Input in ein Netzwerk, wobei die technischen Möglichkeiten moderner Smartphones heute vielfach in den Mittelpunkt entsprechender Überlegungen gerückt sind [5]. Die allgegenwärtigen Smartphones und deren Netze bieten eine Infrastruktur, welche neue Perspektiven für die Beschaffung von Umweltinformationen eröffnet. Vermehrt werden heute solche Mobiltelefone serienmäßig mit verschiedensten Sensoren (GPS, Mikrofon, Kamera) ausgestattet, mit deren Hilfe Informationen erfasst werden können. Zusätzlich lassen sich oftmals weitere Sensoren anschließen. Unter anderem wurden auch verschiedene Prototypen für Chemosensoren zur Messung von Umweltgefahrstoffen und chemischen Kampfstoffen teilweise bis zur Marktreife entwickelt. Durch die Sende- und Empfangsmöglichkeit solcher mobiler Kommunikationsgeräte ist der Sensor zusätzlich in ein größeres Sensornetzwerk integrierbar. Durch dieses Konzept können Sensordaten überall dort erfasst werden, wo Menschen agieren.

Die rapide Entwicklung und ubiquitäre Verwendung von mobilen Kommunikationsgeräten, Computern und Sensoren, die durch das World Wide Web verbunden sind, sowie die steigende Anzahl von Webapplikationen treiben derzeit den Fortschritt des Internets weiter voran. Im Bereich der Gefahrstoffsensorik wird jedoch die kollaborative und dezentralisierte Beschaffenheit des heutigen Internets derzeit kaum vollständig ausgeschöpft. Folglich liegen auch aus diesem Grund die Ergebnisse weltweiter Anstrengungen auf dem Gebiet des Umweltmonitorings und ihre Nutzung in vielen Fällen hinter der großen Nachfrage nach zeitnahen Informationen über Gefahrstoffeinträge in die Umwelt zurück [3].

Internet gewährleistet weltweiten Datenzugriff

Die Entwicklung und der Betrieb von Sensornetzwerken zum Monitoring von Gefahrstoffen in der Umwelt, die eng mit dem Internet verknüpft sind und einen weltweiten Zugriff auf umweltanalytische Sensordaten ermöglichen, besitzt eine große sozioökonomische Bedeutung. Eines der fortschrittlichsten Infrastrukturprojekte für webbasierte Umweltsensorik ist das Sense-Web von Microsoft Research, bei dem über eine spezielle Serviceschnittstelle weltweit verschiedenste Sensoren registriert und dem System bekanntgemacht werden können. Zunehmendes Interesse öffentlicher Institutionen und der privaten Wirtschaft macht deutlich, dass das so genannte Sensor Web auf dem Weg ist, der künftige Standard zu werden, um von Sensornetzen gesammelte Umweltdaten, wie beispielsweise Gefahrstoffkonzentrationen, zu erfassen, zu beschreiben und zu integrieren. Die Verwendung von Smartphones zu Zwecken des Umweltmonitoring dürfte zukünftig zur Schaffung neuer Dienstleistungen führen und steht für einen neuen Forschungstrend beim so genannten Ubiquitous (Pervasive) Computing, welches sich mit den technologischen Möglichkeiten einer zunehmend das Alltagsleben durchdringenden Computernutzung beschäftigt.

Analysegeräte zum Monitoring der Luftqualität befinden sich durch die Zunahme der medizinischen Erkenntnisse über die gravierende Gesundheitsgefährdung gefahrstoffbelasteter Umgebungsluft bereits seit einigen Jahren im Fokus weltweiter Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten. Der sensorische Nachweis von chemischen Gefahrstoffen in der Außenluft, welche aufgrund der zunehmenden Luftverschmutzung durch Industrie, Energieerzeugung und Verkehr von besonderer Bedeutung sind, ist gegenwärtig auf zwei Gruppen von Kontaminanten fokussiert [7]. Zum einen das Monitoring von niedrigmolekularen luftgetragenen Gefahrstoffen, wie beispielweise gasförmige Stickoxide, Schwefeldioxid und Ammoniumverbindungen und zum anderen der Nachweis von flüchtigen organischen Substanzen, wie insbesondere Benzolderrivaten. Der Nachweis von Gefahrstoffen wie Stickoxiden und Schwefeldioxid in der Außenluft erfordert dabei häufig Sensoren mit sehr hoher Empfindlichkeit, welche Konzentrationen bis in den ppb-Bereich nachweisen können. Heute lassen sich zu diesem Zweck zunehmend auch elektrochemische Gassensoren einsetzen. Kommerzielle Gassensoren erlauben es, viele Substanzen wie insbesondere SO2, NOx, Cl2 oder NH3 auch in Konzentrationen von weniger als 1 ppm zu messen.

Literatur:

[1] Akyildiz, I. F. and M. C. Vuran (2010). Wireless sensor networks. Chichester, UK, John Wiley & Sons.

[2] Dutta, P., et al. (2009). Common sense: participatory urban sensing using a network of handheld air quality monitors. Proceedings of the 7th ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems, ACM.

[3] Havlik, D., et al. (2011). „From sensor to observation web with environmental enablers in the future internet.“ Sensors 11(4): 3874-3907.

[4] Kuznetsov, S. and E. Paulos (2010). Participatory sensing in public spaces: activating urban surfaces with sensor probes. Proceedings of the 8th ACM Conference on Designing Interactive Systems, ACM.

[5] Lane, N. D., et al. (2010). „A survey of mobile phone sensing.“ Communications Magazine, IEEE 48(9): 140-150.

[6] Liddle, D., et al. (2011). Wireless Technology Prospects and Policy Options. Committee on Wireless Technology Prospects Policy Options. National Research Council. Washington, DC 20055, National Academies Press. CNS-0238131: 1-113.

[7] Lieberzeit, P. A. and F. L. Dickert (2007). „Sensor technology and its application in environmental analysis.“ Analytical and Bioanalytical Chemistry 387(1): 237-247.

[8] Nikzad, N., et al. (2010). „CitiSense–Adaptive Services for Community-Driven Behavioral and Environmental Monitoring to Induce Change.“

[9] Sekhar, P. K., et al. (2010). „Chemical sensors for environmental monitoring and homeland security.“ The Electrochemical Society Interface 19(4): 35.

* Dr. R. Kernchen: Eyvor GmbH, 23909 Ratzeburg

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