– Wystarczy zamontować niewielki czujnik w cylindrze z akumulatorem i zanurzyć w wodzie lub na pokładzie pływającego robota, by otrzymywać pożądane dane w czasie rzeczywistym. Możemy zbierać je 24h/dobę, a jedynym ograniczeniem jest pojemność akumulatora – tłumaczy Kiranmai Uppuluri, inżynierka środowiska z Łukasiewicz–Instytut Mikroelektroniki i Fotoniki w Krakowie, zwyciężczyni Falling Walls Lab Warsaw 2022, która opracowała innowacyjny czujnik do monitorowania pH w czasie rzeczywistym.

Kiranmai Uppuluri jest inżynierką środowiska z Indii. W 2019 r.oku otrzymała stypendium Marii Skłodowskiej-Curie na rozwój projektu UE AQUASENSE w Łukasiewicz–Instytut Mikroelektroniki i Fotoniki w Krakowie. Jej badania koncentrują się na materiałach, które można wykorzystać jako alternatywy dla czujników opartych na metalach z grupy platynowców do zastosowań w monitorowaniu jakości wody i żywności. Jej wizja to niedrogi, szybki i niezawodny system badania jakości wody 24 h/dobę. Kiranmai i jej zespół zajmują się obecnie rozwojem biodegradowalnych czujników, które po zakończeniu pomiarów nie pozostawiają po sobie żadnych elektronicznych odpadów.

Czym powinna cechować się woda pitna? Co powinna mieć, a czego nie?

Woda nigdy nie jest taka sama, ale tę, którą pijemy, wprowadzamy do organizmu, więc musimy być szczególnie uważni. Nie może zawierać życia biologicznego: mieć bakterii czy wirusów, bo w przeciwnym razie się rozchorujemy. Powinna też być wolna od metali i wszelkich zanieczyszczeń, bo te często powodują problemy. I oczywiście, powinna mieć właściwe pH, bo właśnie ten parametr mówi o proporcji odpowiednich jonów – te mogą być dodatnie lub ujemne, a więc pH wody może być kwaśne, zasadowe lub obojętne, ponieważ skrajne pH może być szkodliwe dla zdrowia ludzkiego. Na przykład, pH poniżej 6,5 jest zbyt kwaśne i może powodować korozję w rurach i wypłukiwanie metali ciężkich do sieci wodociągowej. Z drugiej strony, pH powyżej 8,5 może być oznaką wysokiego poziomu rozpuszczonych minerałów, takich jak magnez i wapń. Światowa Organizacja Zdrowia zaleca pH pomiędzy 6,5 a 9,5, ale ogólnie uważamy, że pH wody pomiędzy 6,5 a 8,5 jest bezpieczne do spożycia przez ludzi.

Jak pH można mierzyć?

Dzięki analizie określonych parametrów. Klasyczny czujnik pH składa się z dwóch elektrod – różnica potencjałów między nimi daje wiarygodny pomiar pH. Te istniejące są dość duże, nieporęczne, łatwo je zniszczyć (są szklane), a przy tym nie są szczególnie tanie. Owszem, dają błyskawiczne wyniki, ale zawierają wewnętrzny roztwór i muszą być przechowywane w systemie elektrolitowym. Ponadto, obecnie stosowane metody pomiaru pH mają charakter laboratoryjny. Wymagają, by ktoś poszedł np. nad Wisłę, wstawił czujnik do wody i odczytywał zakres wartości. To koszt związany z czasem, logistyką, sprzętem i wykwalifikowanym personelem. Zbieranie, przechowywanie i transport próbek wody może również prowadzić do błędów w wynikach. Nowsze technologie, takie jak drukowane elektrody pH i komunikacja bezprzewodowa w czasie rzeczywistym, pokonują te ograniczenia dzięki czujnikom i analizie danych.

Czy analityka danych w czasie rzeczywistym może usprawnić te pomiary?

Właśnie tym zajmuję się w Łukasiewiczu. Staram się, by czujniki pH były mniejsze, a co za tym idzie – łatwiejsze w użyciu. Przez pierwszą część mojej pracy w Polsce (3 lata), szukałam odpowiednich mieszanek tlenków metali, które najlepiej sprawdzą się do wykrywania pH wody. Większość tych, które testowałam, okazało się nietrafione, ale są też takie, które działają świetnie. Teraz idziemy krok dalej i używamy opracowane czujniki w urządzeniach do zdalnego wykrywania zanieczyszczeń. Najlepsze w nich jest to, że pozwalają na monitoring stanu wody w czasie rzeczywistym. Wystarczy taki niewielki czujnik zamontować w cylindrze z akumulatorem i zanurzyć w wodzie lub na pokładzie pływającego robota, by otrzymywać pożądane dane w czasie rzeczywistym. Możemy zbierać je 24h/dobę, a jedynym ograniczeniem jest pojemność akumulatora. Gdy ten rozładuje się, urządzenie nie będzie działać i powinniśmy naładować baterię, aby móc z niej ponownie korzystać.

Jakie dane analizujesz w celu oceny jakości wody?

Opierają się one na parametrach fizycznych, chemicznych i biologicznych wody, takich jak temperatura, tlen rozpuszczony i liczba bakterii.

Czy różnią się one od danych wykorzystywanych przez naukowców w innych obszarach badawczych?

Tak, różnią się one od danych wykorzystywanych przez innych naukowców. W ramach prowadzonych badań, niektóre dane są takie same, ale wykorzystywane w różny sposób, ponieważ znaczenie danych wodnych jest ściśle uzależnione od zastosowania. Na przykład w akwakulturze temperatura wody musi być utrzymywana w taki sposób, aby życie wodne mogło się w niej rozmnażać. Z drugiej strony, w procesach przemysłowych temperatura wody może być tak wysoka, że niemożliwe jest prowadzenie w niej akwakultury. Tak więc wartość tego samego typu danych może się znacznie różnić w zależności od jego przeznaczenia.

Na czym dokładnie polega analiza danych zebranych podczas monitoringu wody?

Jak już wcześniej wspomniałam, to naprawdę zależy od tego, jaki jest cel monitoringu. Jeśli więc analizujemy dane zebrane podczas monitoringu wody pitnej, to będą się one składać z informacji o zanieczyszczeniu mikrobiologicznym, pH, twardości, obecności chloru, itp. Dla wody środowiskowej zebrane dane będą zawierały informacje o temperaturze, pH, składnikach odżywczych, tlenie rozpuszczonym, itp. Dla wody przemysłowej, dane ujawnią informacje o takich parametrach jak chemiczne zapotrzebowanie na tlen (ChZT), zawiesina ogólna, metale ciężkie, itp.

A jak przesyłane są dane?

Urządzenie wprowadzone do wody stale dokonuje pomiarów pH i temperatury, zapisując je na wbudowanej karcie pamięci SD. Jest tu także komponent sieci bezprzewodowej, który przekazuje je bezpośrednio do naszej aplikacji. Na bieżąco widzimy, co dzieje się w badanej próbce.

Z jakich narzędzi korzystasz?

Większość danych do monitorowania jakości wody pochodzi z różnych czujników, które wskazują parametry takie jak temperatura, pH, tlen rozpuszczony itp. Czujniki wykrywają, konwertują i przekazują dane w formacie cyfrowym poprzez wyświetlacz. W dzisiejszych czasach zazwyczaj urządzenia automatycznie rejestrują dane o wodzie. Jednak niektóre parametry fizyczne, takie jak mętność, kolor i zapach mogą wymagać ręcznej rejestracji danych. W moich badaniach podczas eksperymentów używam oprogramowania LabView do rejestracji danych z potencjometrycznych czujników pH. Surowe dane z czujnika są w woltach. Po ich wykorzystaniu do kalibracji czujnika, możliwe jest przekształcenie odczytu napięcia na odczyt pH. Same dane są zbierane w woltach, ale wyświetlane w pH.

Czy używasz algorytmów sztucznej inteligencji lub uczenia maszynowego do analizy danych, czy może jest jeszcze za wcześnie na takie rzeczy?

Osobiście nie używam sztucznej inteligencji do analizy moich danych, ale może być ona bardzo przydatna podczas monitorowania jakości wody. Duże zbiory danych mogą być analizowane w celu identyfikacji i przewidywania trendów jakości wody przy użyciu technik AI, takich jak uczenie maszynowe i sieci neuronowe. Taka analiza danych wspiera zarządzanie zasobami wodnymi, systemy wczesnego ostrzegania, redukcję kosztów i ogólną poprawę efektywności i użyteczności monitorowania jakości wody.

Co dzieje się z danymi po zebraniu?

Po zebraniu danych wodnych są one rejestrowane w bazie danych w celu obserwacji trendów i oceny ryzyka. Głównym zastosowaniem danych o wodzie jest sprawdzenie, czy woda nadaje się do jakiegokolwiek zastosowania, do którego została przeznaczona. Na przykład po zebraniu danych z instalacji wody pitnej operatorzy sprawdzają, czy wszystkie parametry mieszczą się w limicie ustalonym przez państwo i na podstawie danych ogłaszają, że jest ona bezpieczna lub niebezpieczna do spożycia. Jest to bardzo ważne dla ochrony zdrowia publicznego i środowiska. W mojej pracy, wszystkie rodzaje danych, które zbieram i wszystkie różne rodzaje narzędzi, których używam do analizy tych danych, są wykorzystywane do charakteryzowania i porównywania różnych materiałów do pomiaru pH, które opracowałam.

Dlaczego to takie ważne, by mieć dostęp do pomiarów w czasie rzeczywistym?

Wystarczy spojrzeć na katastrofę ekologiczną na Odrze, do której doszło latem 2022 r. na odcinku kilkuset kilometrów rzeki. Ludzie nie zdawali sobie sprawy z zagrożenia, zanim nie dostrzegli śniętych ryb. Gdyby nasz czujnik był na miejscu, od razu mielibyśmy informację, że dzieje się coś złego. Być może nie zapobiegłoby to katastrofie, ale na pewno znacznie ograniczyłoby jej zasięg. Przez długi czas władze nawet nie wiedziały, gdzie doszło do skażenia wody, więc tym bardziej nie miały jak zareagować. Dzięki zastosowaniu czujników działających w czasie rzeczywistym wiedzielibyśmy dokładnie, w którym miejscu i czasie doszło do zatrucia Odry, a władze nie musiałyby oferować miliona złotych nagrody dla osoby, która wskaże sprawcę skażenia. Musimy zrobić wszystko, aby takie zdarzenia się nie powtórzyły, a pomogą w tym czujniki działające w czasie rzeczywistym i dysponujące zdalną transmisją danych. Podczas seminarium we Włoszech, pracownik lokalnej agencji ochrony środowiska opowiadał, że dzięki informacjom w czasie rzeczywistym policja została natychmiast poinformowana o zrzuceniu niebezpiecznych odpadów do rzeki i udało się złapać sprawców, zanim zdążyli uciec.