Hava Kirliliği Çözümlerinde Uygun Maliyetli Sensör Teknolojileri

Dünya nüfusu hızla arttıkça, artan enerji kullanımı, endüstrinin gelişimi ve şehirleşmeyle birlikte ortaya çıkan hava kirliliği, insan sağlığı ve çevre üzerinde ciddi tehditler oluşturmaktadır. Ancak, bu sorununu anlamak, izlemek ve çözmek artık uygun maliyetli ve etkili sensör teknolojileri sayesinde mümkün hale gelmektedir.

Hava kirliliği, günümüzde insanlığın karşısına çıkan en büyük çevresel tehditlerden biridir. Bu sorunu kontrol altına almak ve yönetmek için ekonomik yöntemlerle geniş bir alanda ve yüksek zamansal çözünürlükte ölçüm yapma ihtiyacı doğmaktadır. Sensör teknolojisi hava kirliliğinin izlenmesinde teknolojik ilerlemelerle birlikte hayati bir öneme sahip hale geldi. Bu gelişmeler, gelecekte daha temiz ve sağlıklı bir çevre hedefi doğrultusunda umut verici çözümler sunmaktadır.

Geleneksel hava izleme yöntemleri ile çalışmalar gerçekleştirildiğinde kullanılan ön işlemlerin karmaşık olmasının yanısıra bu çalışmalar yüksek malliyetli ekipmanlar ile vasıflı teknisyenler gerektirmektedir. Bu durum, hava kirliliğinin en eksiksiz resmini çizmek için çeşitli teknolojilerin güçlü yönlerinden yararlanmanın gerekli olduğunu göstermektedir. Uygun maliyetli sensör teknolojileri sayesinde hiper lokal ölçümler yapılabilmekte ve insanlar doğrudan maruz kaldıkları hava kirleticileri hakkında anında bilgilendirilebilmektedir. Bu sayede insan sağlığına yönelik hassas ve hızlı çözümler sunulmakta ve geleceğin hava kalitesi izleme standartları belirlenmektedir.

Sensör Nedir?

Sensörler, fiziksel, kimyasal, biyolojik veya elektriksel büyüklükleri algılayabilen ve bu büyüklükleri ölçebilen cihazlardır. Sensörler, çevresel koÅŸulları, nesnelerin durumlarını, biyolojik süreçleri ve daha birçok ÅŸeyi izlemek ve kontrol etmek için kullanılır. Optik, sıcaklık, nem, basınç, gaz, kimyasal, manyetik, radyasyon, ultrasonik sensörler gibi farklı türlerde sensör teknolojileri bulunur. 

Gaz Sensörleri

Hava kirliliği, insan sağlığına zarar verebilecek zararlı gazların, partikül maddelerin ve kimyasalların atmosferdeki artışını temsil eder. Gaz sensörleri, belirli gazların konsantrasyonunu ölçmek için kullanılan cihazlardır.

Yanıcı ve zehirli gazlar birçok alanda ortaya çıkabilmekte, bu da insan ve çevre sağlığı için önemli bir tehdit oluşturmaktadır. Bu gazları doğru bir şekilde algılamak için en uygun gaz sensörlerini seçmek önemlidir. Uygun sensör tipi, ölçüm ihtiyaçlarına, bütçeye ve kullanılacağı ortama bağlı olarak değişebilir. Farklı gazları algılamak ve ölçmek için çeşitli sensör türleri vardır. Yaygın olarak kullanılan bazı gaz sensörü türleri şunlarıdr:

Metal Oksit Yarı iletken Sensörler (MOS): Genellikle geniş bir yelpazede gazları algılayabilen bu sensörler, endüstriyel, otomotiv ve hava kalitesi izleme sistemlerinde kullanılırlar. Örneğin bu sensörler CO (karbonmonoksit), CH4 (metan), LPG (Sıvılaştırılmış Petrol Gazı) ve diğer gazları algılamak için kullanılır.

MOS sensörleri, uygun maliyetli, kompakt, yüksek duyarlılıkta ve hızlı tepki süresine sahip cihazlardır. Milyarda bir parçalara (ppb) kadar duyarlılıkla bazı gazları algılayabilirler. Ayrıca yüksek sıcaklık ve nem ortamlarında çalışabilirler, bu da uzun vadeli kullanımlar için uygundur. Ancak, düşük doğrulukları nedeniyle sık sık yeniden kalibrasyon gerektirirler.

Elektrokimyasal Sensörler (EC) (NO2, SO2, O3, NO, CO vb. kirletici gazları ölçmek için kullanılır): Bu tür sensörler, belirli bir gazın elektrot yüzeyiyle kimyasal reaksiyona girmesi ile çalışır. Bu reaksiyon, bir elektrik akımı üretir ve bu akım gazın konsantrasyonu ile ilişkilidir. Sensörler özellikle toksik gazları algılamak için kullanılır.

EC sensörleri, MOS sensörlerine benzer şekilde uygun maliyetli, yüksek duyarlılığa sahip cihazlardır. MOS sensörleriyle karşılaştırıldığında, EC sensörleri, sıcaklık ve nem gibi faktörlerden MOS sensörlerine göre daha az etkilenme hassasiyete sahiptirler. EC sensörlerinin temel dezavantajı, kimyasal reaksiyonun hızının çalışma koşullarına bağlı olmasıdır. Yine de EC sensörlerinin, özellikle uygun maliyetli uygulamalar için ideal olduğu söylenebilir.

Toksik gazlar, solunduğunda, yutulduğunda veya deri yoluyla emildiğinde, ölüme kadar varabilecek geniş etkileri olan gazlardır. Renksiz ve kokusuz olabileceği gibi (örneğin CO), aynı zamanda son derece keskin ve rahatsız edici kokulara sahip olabilirler (örneğin H2S).

Katalitik Sensörler: Katalitik sensörler, belirli bir gazın yanma reaksiyonunu kullanarak çalışır. Yanma reaksiyonu, sensör yüzeyinde bir ısı değişikliğine yol açar, bu da gazın konsantrasyonuyla orantılıdır. Katalitik sensör, metan, propan ve hidrojen gibi yanıcı gazları tespit etmek ve ölçmek için kullanılan en yaygın sensör türüdür.

Dağıtıcı Olmayan Kızılötesi Sensörler (NDIR): NDIR sensörler, özel bir kızılötesi kaynağı ve dedektörü içerir. Kaynaktan yayılan kızılötesi ışın, ölçülmek istenen gaz ile etkileÅŸime girer. Gaz, belirli dalga boylarındaki kızılötesi ışığı emer. Dedektör, geçen ışığın kalan ÅŸiddetini ölçer. Ölçülen ÅŸiddet, gazın konsantrasyonuyla doÄŸru orantılıdır. Bu tip gaz sensörleri, oksijen olmadığında karbondioksiti ve yanıcı gazları tespit etmek için kullanılır.

Bu cihazlar basittir, az güç tüketir, uzun ömre sahiptir (gazlara maruz kalma nedeniyle bozulmazlar) ve az bakım gerektirirler. Yüksek algılama sınırlarına sahiptirler, yani küçük kirletici konsantrasyonlarını ölçemezler. Ayrıca, MOS veya EC sensörlerinden çok daha pahalıdırlar.

Fotoiyonizasyon Dedektörü (PID): Fotoiyonizasyon dedektörleri (PID) molekülleri pozitif ve negatif yüklü iyonlara ayırır ve mevcut gaz veya buhar miktarını görüntülemek için bir dedektör kullanarak bu iyonların elektrik yükünü – oluÅŸturduÄŸu potansiyel farkını – ölçer. Bu sensörler uçucu organik bileÅŸikleri (VOC’ler) ve toksik gazları tespit etmek için kullanılır.

PID’ler çok hassastır ve kısa tepki süresine sahiptir. Boyutları ve ağırlıkları küçüktür ve düşük enerji gereksinimleri vardır. PID’ler yüksek nem seviyelerine veya su buharına karşı hassastır ve sık sık (ayda bir kez) yeniden kalibre edilmesi gerekir.

MOS ve EC sensörleri en uygun maliyetli olanlardır ve bu nedenle büyük ölçekli dağıtımlar için en uygun seçeneklerdir. Öte yandan, PID ve NDIR sensörleri daha küçük ölçekli dağıtımlar için daha uygundur.

Floresan Tabanlı Sensör: Floresan, bir molekülün ultraviyole (UV) veya görünür ışıkla uyarılması sonucunda belirli dalga boylarında yayılan ışıma olarak tanımlanmaktadır. Floresan tabanlı sensörler, özellikle çevre kirliliği izleme, endüstriyel proses kontrolü, biyomedikal uygulamalar ve gıda güvenliği gibi alanlarda kullanılır. Bu sensörler, yüksek hassasiyetleri, seçicilikleri ve hızlı tepki süreleri sayesinde çeşitli uygulamalarda tercih edilir.

Kentsel hava kalitesi izleme sistemlerinde, CO, azot dioksit (NO2), kükürt dioksit (SO2), ozon (O3) ve partikül madde (PM2.5 ve PM10) gibi kirleticileri algılayabilen, hassas, dayanıklı ve düşük bakım gerektiren uygun maliyetli sensör tercih edilmektedir. Özellikle EC sensörler, NDIR sensörleri ve MOS sensörleri, kentsel hava kalitesi izleme uygulamalarında sıkça kullanılan türlerdir.

Elektrokimyasal sensörler endüstriyel güvenlik uygulamalarında, endüstriyel proses kontrolünde ve işyeri güvenliği sistemlerinde kullanılır. CO, hidrojen sülfür (H2S) ve amonyak (NH3) gibi gazları algılamak için EC sensörleri tercih edilir. MOS ve katalitik sensörler, endüstriyel yanma proseslerinde, gaz kaçaklarını tespit etme sistemlerinde ve hava kalitesi izleme sistemlerinde kullanılan yaygın sensör türleridir.

Floresan Tabanlı Gaz Sensörleri

Hava kirliliği izlemede en yaygın kullanılan elektrokimyasal sensörlerden farklı olarak, bu sensörlerin en önemli özelliği, moleküler yapıların ışık yayma özellikleriyle gazları tespit edebilmesidir. Sensörlerin temel prensibi, belirli bir hedef molekül ile temas ettiklerinde, bu molekül ile etkileşime giren bir reaktif madde içerir. Bu etkileşim sonucunda reaktif madde floresan hale gelir, yani ışık yaymaya başlar. Sensör, bu yayılan ışığı ölçerek hedef molekülün konsantrasyonunu belirler.

Havanın kalitesini değerlendirmek ve izlemek için kullanılan floresan tabanlı gaz sensörleri, çeşitli kirleticileri hızlı ve doğru bir şekilde analiz ederek halk sağlığını koruma, çevre politikalarını şekillendirme ve kritik kararlar alma konusunda bilim insanlarına ve politika yapıcılara önemli veriler sağlar. Ayrıca, hem maliyet hem tepki açısından hem de ömür açısından benzerlerine göre daha iyi performans göstermektedir.

TÜBİTAK Destekli Floresan Tabanlı Gaz Sensörü Projesi

TÃœBÄ°TAK 1501 Sanayi Ar-Ge Projeleri kapsamında desteklenen bu proje, Airqoon’un liderliÄŸinde Ä°stanbul Teknik Ãœniversitesi, Fizik MühendisliÄŸi Bölümü Öğretim Ãœyesi Doç.Dr. Ali Gelir ve Ä°stanbul Ãœniversitesi-CerrahpaÅŸa Çevre MühendisliÄŸi Bölümü Öğretim Ãœyesi Prof.Dr. Ãœlkü Alver Åžahin’in danışmanlığında gerçekleÅŸtirilmektedir. Bu proje, hava kirliliÄŸi ölçümünde kullanılan mevcut sensör teknolojilerine yenilikçi bir alternatif sunmayı hedeflemektedir. Projenin temel amacı, daha uygun maliyetli, etkili, hızlı sonuçlar üretebilen, taşınabilir ve tekrarlanabilir ölçüm tekniklerinde önemli avantajlar sunan yeni nesil, yerli ve milli bir sensör teknolojisi geliÅŸtirmektir. PaketlenmiÅŸ sensörü oluÅŸturma sürecini tamamlamak için 6 ila 12 ay arasında bir zaman dilimi öngörülmektedir.

*Bu ürün TÃœBÄ°TAK-TEYDEB Destek Programından yararlanılarak geliÅŸtirilmektedir. (Proje No:1501). Ancak ürün/hizmet ile ilgili tüm sorumluluk Airqoon’a aittir.

Kaynakça

Arroyo, P., Gómez-Suárez, J., Suárez, J., & Lozano, J. (2021). Bulut BaÄŸlantılı Elektrokimyasal ve PM Sensörlerine Dayalı Düşük Maliyetli Hava Kalitesi Ölçüm Sistemi. Sensors, 21(18).

Avrupa Komisyonu. (2017). Düşük Maliyetli Sensörlerle Hava Kirliliğini Ölçme.

Concas, F., Mineraud, J., Lagerspetz, E., Varjonen, S., Liu, X., Puolamäki, K., . . . Tarkoma, S. (2021). Düşük Maliyetli Dış Hava Kalitesi Ä°zleme ve Sensör Kalibrasyonu: Bir AraÅŸtırma ve Kritik Analiz. ACM Transactions on Sensor Networks (TOSN), 17(2), 1-44.

Mead, M., Popoola, O., Stewart, G., Landshoff, P., Calleja, M., Hayes, M., . . . Jones, R. (2013). Düşük Maliyetli, Yüksek YoÄŸunluklu AÄŸlarda Kentsel Hava Kalitesini Ä°zlemek İçin Elektrokimyasal Sensörlerin Kullanımı. Atmospheric Environment, 70, 186-203.

Otis Instruments. (2023). Farklı Gaz Sensörleri Türleri Nelerdir?