Centralina per il monitoraggio della qualità dell'aria
Centralina per il monitoraggio della qualità dell’aria
Nell’ambito di un progetto finanziato con fondi del PNRR per avvicinare studentesse e studenti allo studio delle discipline STEM (Science Technology Engineering and Mathematics) abbiamo deciso di progettare e realizzare una centralina portatile per il monitoraggio della qualità dell’aria, per affiancare una misura di tipo strumentale all’Indice di Biodiversità Lichenica utile a caratterizzare l’inquinamento atmosferico di un’area.
I licheni infatti sono dei buoni bioindicatori per la qualità dell’aria, in quanto diverse specie sono sensibili a inquinanti atmosferici quali il biossido di azoto (NO2) e l’anidride solforosa (SO2).
Monitoraggio strumentale
Esistono diversi progetti portati avanti da volontari su tutto il pianeta per fornire dati misurati di pubblico dominio, gratuiti, per il monitoraggio ambientale.
Un progetto importante, nato dopo il disastro nucelare della centrale nucleare di Fukushima Daiichi del marzo 2011 è il progetto Safecast, che ha permesso di sviluppare un contatore Geiger a basso costo e di rapida, veloce e diffusa realizzazione, per la misura della radioattività.
Il progetto ha permesso alle persone di monitorare in maniera semplice le loro case e gli ambienti intorno a loro.
L’idea del nostro progetto è quella di sviluppare una centralina portatile per il monitoraggio ambientale, misurando il PM2.5, particolato fine le cui particelle hanno diametro medio inferiore ai 2.5 micron, insieme a altri parametri ambientali, quali temperatura, pressione e umidità dell’aria e alla posizione GPS del punto di misura.
Il PM2.5 è un parametro importante per l’inquinamento atmosferico perché ha origini esclusivamente antropiche. Inoltre il PM2.5 è correlato direttamente al biossido di azoto (NO2), del quale le specie licheniche (per alcune delle quali è tossico) costituiscono un importante parametro di confronto.
Simbiosi e licheni
La simbiosi è un particolare rapporto che si instaura tra specie diverse che vivono a stretto contatto fra loro, con scambio permanente di sostanze utili alla loro esistenza.
Un lichene è una simbiosi di un alga o un cianobatterio che vive tra i filamenti di un fungo.
I due organismi convivono traendo un vantaggio reciproco: il fungo (organismo eterotrofo) sopravvive grazie agli zuccheri prodotti attraverso la fotosintesi dal cianobatterio o dall’alga (organismi autotrofi), mentre quest’ultima riceve in cambio protezione, sali minerali ed acqua.
Licheni e inquinamento atmosferico
I licheni prendono i loro nutrienti dall’aria e non avendo radici o una superficie protettiva non possono filtrare le sostanze che assorbono, in questo modo “prendono” tutto quello che è nell’aria e, se nell’aria sono presenti sostanze inquinanti, queste si accumulano all’interno del lichene.
I licheni sono molto sensibili e rispondono velocemente all’inquinamento, per questo vengono impiegati come bioindicatori.
In particolare dallo studio delle specie licheniche presenti in una determinata area si può ricavare l’Indice di Biodiversità Lichenica (IBL), che permette di valutare l’inquinamento atmosferico.
Sono due gli inquinanti che influenzano maggiormente la crescita dei licheni: il biossido di azoto (NO2) e l’anidride solforosa (SO2).
Il biossido di azoto, in particolare è un inquinante legato al processo di combustione che avviene all’interno dei veicoli con motore a combustione interna e delle caldaie a metano per il riscaldamento domestico (altre sorgenti di NO2 legate all’agricoltura sono fertilizzanti e gli scarti degli allevamenti).
L’NO2 è una sostanza infiammante per il sistema respiratorio e può contribuire all’insorgenza e/o all’aggravarsi di diverse malattie respiratorie.
Alcune specie licheniche (ad esempio la Xanthoria parietina) possono vivere anche in presenza di elevate concentrazioni di NO2, mentre per altre quest’ultime risultano letali.
La centralina
Il progetto della centralina prevede che il sistema misuri il PM2.5 presente nella zona, insieme alla posizione GPS e a altri parametri ambientali, quali pressione, umidità e temperatura dell’aria; il dato misurato viene poi inviato via a un server remoto dove è possibile visualizzare in tempo reale i dati acquisiti.
E’ inoltre possibile avere una visualizzazione rapida del dato misurato collegando alla centralina un VU-meter costituito da una serie di LED colorati.
Nell’implementazione attuale la centralina di monitoraggio è costruita attorno al sensore di PM2.5, il PSA003I e utilizza un microcontrollore Adafruit M4 per l’acquisizione e l’elaborazione dati, insieme a un coprocessore ESP32 per il collegamento WiFi; l’alimentazione è a batteria e le dimensioni sono ridotte, per cui la centralina può essere facilmente trasportata.
Il sensore GPS e i sensori di pressione, temperatura e umidità dell’aria non sono ancora collegati al microprocessore ma è prevista successivamente l’implementazione di queste funzioni.
Il software (firmware) che controlla il micro-controllore è stato scritto in CircuitPython e è liberamente accessible su GitHub.
Una volta assemblata la centralina si mostra come in figura, con il case disegnato con FreeCAD e stampato con una stampante 3D Prusa MK2.5.
Le misure effettuate hanno come riferimento per il PM2.5 il limite di normativa, fissato a 25ug/m3 nella media giornaliera, e sono ottenute mediando su un campione di 2.3s – l’algoritmo di acquisizione può essere modificato per calcolare anche la media giornaliera.
Le misure mostrano di seguire l’andamento giornaliero degli inquinanti da traffico e hanno mostrato valori più elevati in zone dove la presenza di NO2 è maggiore.
Bibliografia
- The Natural History Museum, London. https://www.nhm.ac.uk/discover/nature-and-pollution-what-lichens-tell-us-about-toxic-air.html
- Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Lichen
