La TU Graz sviluppa un dispositivo mobile per la misurazione di alta precisione degli inquinanti atmosferici

Birgitta Schultze-Bernhardt e il suo team dell'Istituto di Fisica Sperimentale dell'Università di Tecnologia di Graz (TU Graz) hanno sviluppato un nuovo tipo di spettrometro UV a doppia combinazione che rileva gli inquinanti gassosi dell'aria con una precisione e una sensibilità senza pari. Utilizzando la luce ultravioletta a doppio laser, il dispositivo misura la concentrazione di gas nocivi come la formaldeide in mezzo secondo. Grazie al suo design compatto e a un campo di misura fino a due chilometri e mezzo, lo spettrometro è adatto non solo per le analisi di laboratorio, ma anche per le misurazioni mobili in città, aree industriali e regioni agricole.

Impronta digitale degli inquinanti

Come punto di partenza per la misurazione, il dispositivo genera due impulsi laser nella gamma spettrale dell'ultravioletto in frazioni di secondo. Quando la luce UV colpisce le molecole di gas, le eccita elettronicamente e le fa ruotare e vibrare - i fisici chiamano questo fenomeno transizioni rovibroniche. Queste transizioni sono diverse per ogni sostanza gassosa e assorbono parte della luce laser in modo unico. "Ogni inquinante atmosferico ha quindi la sua impronta digitale, che il nostro spettrometro UV a doppio pettine riconosce", spiega Birgitta Schultze-Bernhardt.

Schultze-Bernhardt e il suo team hanno sviluppato la prima versione del loro spettrometro ben due anni fa. All'epoca era il primo al mondo nel suo genere, ma per le misurazioni erano necessari grandi impianti di laboratorio. La nuova versione è stata ridotta alle dimensioni di una scatola di cartone. Uno dei motivi è che ora una sola sorgente laser invece di due genera il doppio impulso laser. "Questo ci permette anche di rinunciare alla complessa stabilizzazione elettronica del sistema", spiega Birgitta Schultze-Bernhardt.

Risoluzione di 1 GHz

Il nuovo spettrometro è in grado di rilevare le frequenze della luce UV con una risoluzione di 1 GHz, superando così in modo significativo tutti gli spettrometri UV convenzionali. Ciò ha permesso ai ricercatori di ottenere nuove e fondamentali conoscenze sull'assorbimento della luce UV da parte dell'inquinante atmosferico formaldeide: "Abbiamo misurato modelli di assorbimento della formaldeide che non erano mai stati osservati sperimentalmente prima d'ora, poiché la risoluzione dei dispositivi precedenti era troppo imprecisa", afferma Birgitta Schultze-Bernhardt.

Correzione delle costanti di rotazione di 57 anni fa

Le misurazioni effettuate a Graz hanno dimostrato che le costanti rotazionali della formaldeide, disponibili nei database di fisica e nei libri di testo fin dagli anni '60, sono errate. "In collaborazione con l'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Atomic and Molecular Physics negli Stati Uniti, abbiamo corretto i valori di questo parametro fondamentale, specifico della molecola, fino al 15%", spiega Birgitta Schultze-Bernhardt. Anche la collaborazione con Rolf Breinbauer dell'Istituto di Chimica Organica della TU Graz, che ha prodotto formaldeide di elevata purezza per le indagini in un processo a due fasi, ha contribuito a questo progresso nella ricerca di base.

Applicazione nella protezione ambientale

Oltre alla ricerca di base, lo spettrometro ha il potenziale per rendere molto più precisa e semplice la misurazione degli inquinanti atmosferici e delle fughe di gas nelle città e nelle aree industriali. "In linea di principio, il nostro dispositivo può rilevare con precisione qualsiasi sostanza gassosa semitrasparente. Attualmente stiamo lavorando per determinare la concentrazione di diversi inquinanti con un'unica misurazione", spiega Birgitta Schultze-Bernhardt. Finanziata da una sovvenzione Proof of Concept del Consiglio europeo della ricerca, la fisica sperimentale sta anche sviluppando uno spettrometro UV che può essere utilizzato anche dai non addetti ai lavori per monitorare la qualità dell'aria, ad esempio nelle aziende o nelle autorità ambientali.

Finanziato dal Fondo austriaco per la scienza, dall'ERC e dal NAWI di Graz.

Lo sviluppo dello spettrometro UV a doppia combinazione si basa su progetti di ricerca guidati da Birgitta Schultz-Bernhardt, finanziati dal Fondo austriaco per la scienza FWF e dal Consiglio europeo della ricerca. L'iniziativa di cooperazione NAWI Graz ha finanziato la nuova sorgente laser dell'attuale spettrometro come parte del suo finanziamento dell'infrastruttura.