Miljø
1. Resumé
For at opnå forbedret miljøovervågning foreslås, at der fokuseres på opbygning af et sensornetværk som kan monitere forskellige materialer i miljøet samt måle en række parametre som angiver miljøets tilstand. For at opnå troværdige målinger er det nødvendigt at målingerne er nøjagtige og sporbare, hvilket stiller krav til de metrologiske tiltag.
2. Samfundsudfordringer og/eller muligheder
Miljøovervågning kræver måling af en rækkeforskellige materialer og parametre. I dag anvendes fysiske, kemiske og biokemiske målinger herunder mikrobiologiske analysemetoder og elektrokemiske målinger. Hver metode har begrænset anvendelsesområde. Målingerne er ofte baseret på prøveudtagning med efterfølgende analyse i laboratorier, hvilket er både tidskrævende, arbejdstungt og giver en begrænsning i antallet af målinger.
Der vil fremadrettet blive behov for flere nye typer sensorer, som måler lokalt på miljøet; dels for øjebliksbilledet og trådløs rapportering af miljøforhold – i modsætning til i dag hvor prøver indsamles og sendes til analyselaboratorier, og dels for at en større mængde måledata kan indsamles og analyseres. Det gælder specielt inden for vand, havmiljø, jordbundsforhold og luftkvalitet.
Som et konkret eksempel kan nævnes, at der i Danmark er tradition for, at man kan tage drikkevandet direkte fra grundvandet med efterfølgende filtrering og luftning, men uden kemisk rensning. Med øget miljømæssig påvirkning af grundvandet fra forbrugere, industri og landbrug samt klimaforandringer med kraftig nedbør og oversvømmelse, hvor der specielt er problemer med udledning af urenset spildevand, er det vigtigt etablere teknikker til sikring og overvågning af vandkvaliteten.
Den fremtidige sikring og overvågning af vandkvalitet giver en efterspørgsel efter sensorer, som er selvkalibrerende og som hurtigt giver et resultat for parametre som fx. ledningsevne, salinitet, pH, turbiditet samt angiver mængden af tungmetaller, pesticider og organiske mikroforureninger.
Generelt vil den hastige udvikling inden for sensorer resultere i bl.a. mindre trådløse sensorer, som udgør et netværk, der indsamler information om fx. gasser og partikler i luften. Udviklingen går mod, at sensorer kommer helt ud til den enkelte forbruger. Sikring af pålidelige data fra trådløse sensorer kræver udvikling af standarder og metoder til kalibrering.
Udviklingen inden for sensorteknologi har meget brede anvendelser, og dækker udover miljø også områder som fx. sundhed (diagnosticering) og produktion (processtyring).
3. Forskningsbehov
For at kunne måle flere parametre og stoffer og indsamle data fra et stort antal målinger kræver det ikke alene videreudvikling af de enkelte måleteknologier, men i højere grad at kombinere teknologier fra elektrokemi, optik, nanoteknologi samt avanceret dataanalyse. Det forventes, at der i kombinationen af teknologier kan udvikles sensorer og målesystemer, som kan bestemme flere parametre og stoffer samtidigt, samt foretage hurtigere og mindre arbejdstunge målinger af miljøet. Der vil derfor også blive behov for at udvikle teknologier til minimering af vedligeholdelse af målesystemer, hvilket vil kræve reduktion af mængden af forbrugsmateriale, og at målesystemerne gøres selvrensende og selvkalibrerende. Mange samtidige analyser nødvendiggør desuden udvikling af nye kalibreringsmetoder kombineret med multivariate dataanalysemetoder.
For eksempel kan nævnes at der er et potentiale i bla. nye elektroder til elektrokemi, hvor måleanalyse af kemiske eller biokemiske processer samt renhedsgraden af elektroderne foretages optisk ved over-fladen af elektroderne. Elektroderne kan f.eks. være små rækker af ultratynde film eller nanoprober, som sammen med optiske målinger muliggør integration af mange miniature sensorer i samme målesystem. Der er behov for at nedskalere elektrokemiske elektroder til mikro- og nanoskala for at kunne måle på mindre volumener, på kortere tid og med højere følsomhed. Ved brug af optisk detektion bliver måling af enkelte elektronoverførsler mulig og derved måling af en enkelt redox-reaktion.
Udvikling af nanopore membraner til bla. anvendelser i sensorer kræver måling af transport af na-nopartikler, både af metal, organisk materiale, og bio-materiale. Det kan gøres elektrokemisk ved en resistiv-puls detektion, men i optimering af membraners virkemåde vil der være behov for metoder med kombinationer af den elektrokemiske måling og optiske teknikker som reflektans fluo-rescens mikroskopi og konfokalt mikroskopi.
Der vil være behov for at udvikle teknikker til at detektere nanopartikler i miljøovågning. Mikroelek-troder kan anvendes til at studere sammenstød mellem overflader og nanopartikler eller store molekyler. Elektrisk detektion, som ses som en ændring i strøm eller spænding ved kollision, kombineres med optiske teknikker som fluorescens og elektrokemiluminescens.
Det vil være behov for udvikling af miniature gassensorer til måling af luftforurening af en række miljøfarlige gasser. Fotoakustisk teknologi kan være en mulighed. Denne vil dog kræve regelmæssig kalibrering.
4. Udmøntning
Et forstærket samarbejde mellem aftagere af ny teknologi som danske analyselaboratorier og virksomheder samt forskningsmiljøer inden for universiteter og GTS institutter vil kunne målrette forskningsindsatsen mod behovet for anvendelser. Forskningsmiljøerne vil blive stærkere knyttet ved etablering af tværfaglige PhD projekter.
I Horizon 2020 er vand et hovedområde inden for ”Climate action, environment, resource efficiency and raw materials”. Det er her en målsætning at bringe innnovative løsninger til markedet, hvilket vil blive understøttet af et forstærket samarbejde mellem aftagere og forskningsmiljøer. EMPIR kaldet for 2016 under H2020 indeholder programmer rettet mod udvikling af måleteknologi til miljøovervågning. Programmerne kan bidrage til udvikling af bedre kalibreringsmetoder for sensorer.
Miljøministeriet sætter i bekendtgørelser en række kvalitetskrav til målinger og prøveudtagning og har fastsat grænseværdier for en liste af stoffer. Analyselaboratorier, som udfører målinger i dag, skal som udgangspunkt være akkrediteret. Udvikling af nye miljø overågningsmålesystemer og sensorer skal ske i samarbejde med myndighederne og analyselaboratorier for at sikre overensstemmelse med lovgivning.
Internationalt samarbejdes på tværs af nationale metrologiinstitutter, forskningsgrupper ved universiteter med aktiviteter inden for nanoteknologi og sensorer samt virksomheder med behov for kalibrering af sensorer.
5. Danske forudsætninger
Miljøovervågning i Danmark foretages af en række forskellige organisationer. Regionale miljøcentre har ansvar for overvågningen i vandløb og grundvand, og Danmarks Miljøundersøgelser har ansvar for overvågning af åbne havområder og effekten af regnvand. Der er rådgivningsvirksomheder i Danmark, som opererer i indland og udland med miljørådgivning, og der er stærke forskningsgrupper på universiteter og ved GTS institutter, som arbejder med udvikling af sensorer til måling af parametre og stoffer, som er vigtige for miljøovervågning. Danske virksomheder har også en stærk position inden for analyseudstyr og dataanalyse.
6. Målsætninger og perspektiver
Målsætningen er at sikre en bæredygtig fremtid for miljøet bl.a. gennem flere, hurtigere, billigere og bedre målinger gennem udnyttelse af udviklingen inden for sensorteknologi.
Efterspørgslen for udviklede kompetencer og teknologier vil specielt være stor i udviklingslande, som fx har større udfordringer med ren drikkevandsforsyning. Der vil således være oplagte eksportmuligheder for dansk industri.
7. Kontaktperson
Jan Hald, Telefon 4593 1144, email jha@dfm.dk