Theoretical and experimental investigation of the optoacoustic phenomenon in black carbon particles aiming to design a low-cost sensor
Authors: Κούσιας Νικόλαος 
Published: February 2025

Η διατριβή διερευνά τις διαδικασίες που αφορούν τον σχηματισμό, τις ιδιότητες και την μέτρηση της αιθάλης (Black Carbon - BC), με έμφαση στη βελτίωση της μέτρησής της χρησιμοποιώντας καινοτόμες τεχνολογίες. Το BC αναφέρεται σε αιωρούμενα σωματίδια με βάση τον άνθρακα που σχηματίζονται κατά την ατελή καύση ή πυρόλυση υδρογονανθράκων. Η δημιουργία του επηρεάζεται από παραμέτρους όπως η θερμοκρασία φλόγας και ο τύπος του καυσίμου (ειδικά για φλόγες διάχυσης). Το BC παίζει σημαντικό ρόλο τόσο στην κλιματική αλλαγή όσο και στην ανθρώπινη υγεία. Η παρούσα διατριβή διερευνά την φυσικές διεργασίες που αφορούν τα σωματίδια αιθάλης (BC) με έμφαση στην απορρόφηση φωτός, αξιολογεί τους περιορισμούς των υπαρχουσών μεθόδων μέτρησης και προτείνει λύσεις για την βελτίωση των μεθόδων αυτών. Οι οπτικές ιδιότητες του BC είναι σημαντικές κυρίως λόγω της συμβολής τους στην κλιματική αλλαγή. Η ικανότητά του να απορροφά φως στο ορατό και στο υπέρυθρο φάσμα το διακρίνει από άλλους σωματιδιακούς ρύπους, οι οποίοι γενικά έχουν αντίθετη επίδραση στο κλίμα (ψύξη) λόγω της σκέδασης του φωτός που προκαλούν, μην επιτρέποντας στο ηλιακό φως να φτάσει στην επιφάνεια της γης. Οι οπτικές ιδιότητες του BC μετριούνται μέσω του δείκτης διάθλασης, του Absorption Angstrom Exponent (AAE) και του Single Scattering Albedo (SSA). Η μεταβλητότητα σε αυτές τις παραμέτρους προκύπτει από διαφορές στο μέγεθος των σωματιδίων, τη σύνθεση και τις επικαθίσεις, καθιστώντας τον ακριβή χαρακτηρισμό κρίσιμο για την εκτίμηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων του BC. Οι υπάρχουσες τεχνολογίες για την ανίχνευση BC αποτελούνται από μεθόδους που βασίζονται σε εναπόθεση των σωματιδίων σε φίλτρα και μέτρησης των οπτικών τους ιδιοτήτων, οπτοακουστικές τεχνικές και αισθητήρες που βασίζονται στην πυράκτωση των σωματιδίων από λέιζερ υψηλής ενέργειας. Τα όργανα που βασίζονται σε φίλτρα, όπως τα αιθαλόμετρα, μετρούν την εξασθένηση του φωτός σε μια ταινία φίλτρου στην οποία έχουν εναποτεθεί τα σωματίδια, αλλά έχουν χαμηλή αξιοπιστία λόγω φαινομένων όπως το loading artefact και η ευαισθησία στη σκέδαση φωτός (και όχι μόνο στην απορρόφηση). Οι οπτικοακουστικές συσκευές, που αναφέρονται επίσης ως PhotoAcoustics (PAS), δεν επηρεάζονται από την σκέδαση φωτός συσχετίζοντας άμεσα την απορρόφηση φωτός με την παραγωγή ήχου. Αυτά τα συστήματα, αν και είναι αξιόπιστα, είναι πολύ ακριβά καθώς απαιτούν λέιζερ υψηλότερης ενέργειας αλλά και ακουστικούς συντονιστές και ακριβή προετοιμασία δειγμάτων, με ακριβή ρύθμιση της θερμοκρασίας του δείγματος, για την σωστή ενίσχυση του ακουστικού σήματος. Η πυράκτωση (incandescence) που προκαλείται από απορρόφηση φωτός παρέχει χρήσιμες πληροφορίες για τις ιδιότητες των σωματιδίων, αλλά δεν είναι κατάλληλη για αισθητήρες χαμηλού κόστους. Η παρούσα διατριβή αφορά τον σχεδιασμό ενός καινοτόμου οπτικοακουστικού (ή φωτοακουστικού) αισθητήρα βελτιστοποιημένου για μείωση του κόστος διατηρώντας την ικανότητα για αξιόπιστη ανίχνευση BC. Ο αισθητήρας βασίζεται σε έναν ελλειψοειδή θάλαμο επαναεστίασης ήχου ο οποίος αξιοποιεί μια ελλειψοειδή γεωμετρία που εστιάζει αποτελεσματικά την ακουστική ενέργεια από το ένα εστιακό σημείο στο άλλο χωρίς να απαιτεί ακουστικούς συντονιστές, ενισχυτές ή συστήματα προετοιμασίας του δείγματος (sample conditioning). Επίσης, πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις υπολογιστικής ρευστομηχανικής (CFD) οι οποίες καταδεικνύουν τις ακουστικές ιδιότητες του ελλειψοειδούς θαλάμου, δείχνοντας ότι λειτουργεί καλά για διάφορες παραμέτρους σχεδίασης, όπως το μέγεθος του όγκου διέγερση (τομή δέσμης φωτός με ροή καυσαερίου), ο τύπους διαμόρφωσης της οπτικής δέσμης και οι συνθήκες της ροής του καυσαερίου. Ένα αξιοσημείωτο εύρημα είναι ότι ο ελλειψοειδής θάλαμος λειτουργεί καλύτερα με μεγαλύτερες δέσμες φωτός, σε αντίθεση με τους παραδοσιακούς αισθητήρες, μειώνοντας την ανάγκη για ακριβά οπτικά εξαρτήματα και λεπτομερή διαμόρφωση της οπτικής δέσμης. Επιπλέον, δείχνουμε ότι ο ελλειψοειδής θάλαμος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επανεστίαση πολλών συχνοτήτων ταυτόχρονα, για παράδειγμα όταν χρησιμοποιείται ένας τετραγωνικός παλμός διαμόρφωσης της οπτικής δέσμης, που δημιουργεί ακουστικά κύματα σε πολλές συχνότητες. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο ελλειψοειδής θάλαμος επιτυγχάνει έναν καλό συμβιβασμό κόστους, ακουστικής απόδοσης και προστασία εξαρτημάτων του αισθητήρα και είναι κατάλληλος για έναν οπτικοακουστικό αισθητήρα αιθάλης (BC) χαμηλού κόστους. Στη συνέχεια, η διατριβή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη, τη δοκιμή και τη βελτίωση του νέου οπτικοακουστικού αισθητήρα που χρησιμοποιεί τον ήδη μοντελοποιημένο ελλειψοειδή θάλαμο, σχεδιασμένο να ανιχνεύει σωματίδια αιθάλης με χαμηλό κόστος. Αρχικά, οι εργαστηριακές δοκιμές, που έγιναν με χρήση ενός Quartz Tuning Fork (QTF) ως ευαίσθητο και χαμηλού κόστους ανιχνευτή, επιβεβαίωσαν τη λειτουργία του αισθητήρα, και την επανεστίαση ήχου στον ελλειψοειδή θάλαμο. Για την παραγωγή οπτικής δέσμης χρησιμοποιήθηκαν πηγές φωτός χαμηλού κόστους, οι οποίες λειτουργούσαν με τάση μεγαλύτερη από την ονομαστική τους αλλά με παλμούς μικρής διάρκειας ώστε να πετυχαίνετε υψηλή οπτική ενέργεια με μικρή κατανάλωση ενέργειας. Οι εργαστηριακές δοκιμές συνέκριναν το πρωτότυπο με όργανα αναφοράς, παρουσιάζοντας ισχυρή απόδοση στη μέτρηση των συγκεντρώσεων BC και ταχεία απόκριση στις διακυμάνσεις της συγκέντρωσης αιθάλης (BC) στο δείγμα. Ο αισθητήρας αξιολογήθηκε περαιτέρω σε πραγματικές συνθήκες μέσω της χρήσης του για τη μέτρηση συγκεντρώσεων αιθάλης στο καυσαέριο πλοίων, μετά από εγκατάστασή του πάνω στα πλοία. Ο αισθητήρας μέτρησε με ακρίβεια τις εκπομπές αιθάλης (BC), σε συμφωνία με εμπορικά όργανα. Ωστόσο, ο αρχικός σχεδιασμός αντιμετώπισε προκλήσεις με την έκθεση στο καυσαέριο και απαιτούσε συντήρηση λόγω εναπόθεσης σωματιδίων σε μέρη του αισθητήρα. Ένας βελτιωμένος αισθητήρας σχεδιάστηκε και κατάφερε να προστατεύσει τον θάλαμο και να μειώσει τις εναποθέσεις σωματιδίων, μειώνοντας σημαντικά τις απαιτήσεις συντήρησης. Οι εργαστηριακές δοκιμές του νέου αισθητήρα επιβεβαίωσαν την αποτελεσματικότητά του στη διατήρηση ενός σταθερού σήματος για εκτεταμένο χρονικό διάστημα. Με την αναφερόμενη βελτίωση του αισθητήτα, υπογραμμίζεται η δυνατότητά αισθητήρα για χρήση σε ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών περιβαλλοντικού ενδιαφέροντος για τον έλεγχο εκπομπών, π.χ. συνεχής παρακολούθηση των εκπομπών πλοίων.Τέλος, η διατριβή μελετά την δυνατότητα χρήσης μοντελοποιήσεων για την ανάπτυξη και εφαρμογή οπτικοακουστικού αισθητήρα για την ανίχνευση σωματιδίων αιθάλης. Παρουσιάζει ένα νέο μοντέλο για την ανάλυση των μηχανισμών που διέπουν την παραγωγή οπτικοακουστικού σήματος, εστιάζοντας ιδιαίτερα στην απορρόφηση φωτός και την μεταφορά θερμότητας από σωματίδια αιθάλης διαφόρων μορφολογιών προς τον περιβάλλοντα αέρα. Το μοντέλο προβλέπει πώς το μέγεθος, το σχήμα και άλλες ιδιότητες των σωματιδίων επηρεάζουν την ένταση του σήματος και την φάση του παραγόμενου σήματος, επιτρέποντας μια καλύτερη κατανόηση της σχέσης μεταξύ των χαρακτηριστικών των σωματιδίων αιθάλης και της οπτοακουστικής τους απόκρισης. Αυτές οι πληροφορίες μπορούν να βοηθήσουν στην διάκριση μεταξύ τύπων σωματιδίων, όπως σωματίδια με επικαλύψεις πτητικών ενώσεων έναντι σωματιδίων χωρίς επικαλύψεις ή με σφαιρικά σωματίδια που παράγονται κυρίως κατά τηn καύση βιομάζας (tarballs). Οι φυσικοί μηχανισμοί που περιγράφονται είναι πολύ παρόμοιοι με αυτούς που χρησιμοποιούνται σήμερα από τους αισθητήρες πυρακτώσεως (Laser Induced Incandescence - LII) και μπορούν να διακρίνουν π.χ. μεταξύ σωματιδίων με ή χωρίς επικαλύψεις. Συμπερασματικά, αυτή η διατριβή αντιμετωπίζει κρίσιμα κενά στις τεχνολογίες μέτρησης αιθάλης (BC) συνδυάζοντας τον καινοτόμο σχεδιασμό με τη χρήση εξαρτημάτων χαμηλού κόστους. Ο αισθητήρας που σχεδιάστηκε και παρουσιάσθηκε προσφέρει μια λύση χαμηλού κόστους που εξισορροπεί την ευαισθησία και την αξιοπιστία, καθιστώντας τον ένα πολύτιμο εργαλείο για την προώθηση της κατανόησής μας και τον μετριασμό των εκπομπών αιθάλης. Ο νέος αισθητήρας μπορεί να διευκολύνει την λεπτομερή παρακολούθηση σε περιοχές που προηγουμένως περιορίζονταν λόγω κόστους και αναγκών συντήρησης, όπως απομακρυσμένες περιοχές (π.χ. Αρκτική). Τα δεδομένα του θα μπορούσαν να καθοδηγήσουν τις παρεμβάσεις για τη μείωση των εκπομπών αιθάλης και των επιπτώσεών τους τόσο στο κλίμα όσο και στην ανθρώπινη υγεία.