Ekstremvær som flom, tørke og styrtregn påvirker vannkvaliteten i innsjøer, elver og kystnære områder. Dette skaper betydelige utfordringer for økosystemer og vannforsyning, fordi plantevernmidler som er bundet i jordmassene, raskt kan skyldes ut i vannkildene. Nå ønsker forskere å overvåke dette på en ny måte.
— Dagens systemer for overvåkning er ikke utstyrt til å oppdage raske variasjoner. Det etterlater kritiske hull i miljøbeskyttelsen og beredskapen for folkehelsa. Målet med prosjektet, som heter STARDUST, er å utvikle et optisk sensorsystem som kan finne flere plantevernmidler i sanntid i både overflatevann og grunnvann.
Det sier Elizaveta Vereshchagina, som er seniorforsker i SINTEFs avdeling for smarte sensorer og mikroteknologi.
Teknologien vil gi oss innsikt i hvordan ekstremvær påvirker forekomsten av plantevernmidler i vann, og utvikles i et tverrfaglig samarbeid med flere partnere fra Norge, Romania, Polen, Irland og Danmark.
Engasjerte innbyggere i Danmark og Irland
Når forskerne ønsker å undersøke vannprøver etter kraftig nedbør, må de hentes umiddelbart. Dette er logistisk utfordrende. STARDUST har derfor engasjert innbyggere i Danmark og Irland, som samler inn vannprøver i perioder med betydelig nedbør – såkalte Citizen Science-aktiviteter.
Disse vannprøvene er viktige for å få innsikt i sammenhengen mellom ekstreme værforhold og vannkvalitet.
— Vi lager referanser hos oss og får prøvene også tilsendt til Oslo, slik at vi kan teste vår sensorteknologi i laboratoriet. Vi har har klart å måle ulike typer plantevernmidler i vannet ved hjelp av såkalt SERS-teknologi, som gir hurtig respons. Håpet er at vi kan ta med denne type sensorteknologi fysisk ut til vannkildene i fremtiden, sier forskerkollega og prosjektleder Karolina Milenko.
— Vi har klart å måle ulike typer plantevernmidler i vannet ved hjelp av såkalt SERS-teknologi, som gir hurtig respons.
SERS står for «Surface Enhanced Raman Spectroscopy». Metoden gjør lyssignaler fra molekyler sterkere og lettere å måle. SINTEF kombinerer SERS med mikrofluidikk. Da strømmer prøvene gjennom små kanaler i et gjennomsiktig materiale. Sammen gir disse metodene rask og nøyaktig analyse i sanntid.
Fakta om SERS sensorer og mikrofluidikk:
- Fremskritt innen nano‑ og mikroteknologi har gjort det mulig å utvikle avanserte optiske sensorer og integrere disse med mikrofluidikk for for å kontrollere vannprøver raskere.
- Teknologier som UV‑nanoimprint‑litografi, dyp reaktiv etsing (DRIE), mikrostrukturering av glass og skivebonding gir høy presisjon i dimensjonene som er viktige for å få robuste sensorer.
- Ved SINTEF blir både SERS‑substrater og mikrofluidiske komponenter designet og produsert i renerom. Til tross for betydelig fremgang gjenstår teknologiske utfordringer knyttet til SERS‑substrater samt målemetoder.
- Nå benyttes miniaturiserte mikrofluidiske SERS‑plattformer til testing under kontrollerte laboratorieforhold, hvor testparametere kan justeres systematisk, og forskerne både kan simulere arbeid i felt og variere kvaliteten på vannprøvene.
— Det kan være utfordrende å skille mellom ulike plantevernmidler i lav konsentrasjon i våre datasett, blant annet på grunn av ulik bakgrunn i prøvene. I STARDUST-konsortiet har vi ekspertise som hjelper oss med å oppnå bedre sensitivitet ved bruk av kunstig intelligens, sier Vereshchagina.
Avansert teknologi: I prosjektet kombinerer forskerne SERS med mikrofluidikk, som gjør det mulig å måle plantevernmidler i vann på en mye mer effektiv måte enn i dag Foto: Werner Juvik
Raske endringer bør måles i sanntid
Plutselige endringer i vannkvalitet truer både biologisk mangfold og sikkerheten til drikkevann. Fordi det er krevende å måle ulikt innhold fra vannkilder, er dagens løsning altså å frakte vannprøver til laboratorium for testing. Når naturkatastrofer eller ekstremvær inntreffer, kan slike endringer skje veldig raskt, og derfor bør overvåking skje i sanntid.
— Se for deg at et jordskred går i en elv langt oppe i et dalføre. Dette skredet kan forurense vannet i elven raskt, men det er vanskelig å måle. Vi håper vår teknologi kan gi målinger i sanntid, som viser hvordan ulike plantevernmidler beveger seg med vannet. Da kan det også være mulig å sette inn forebyggende tiltak før forurenset vann gjør for mye skade, sier Hans-Jørgen Albrechtsen, professor ved DTU og partner i prosjektet.
— Se for deg at et jordskred går i en elv langt oppe i et dalføre. Dette skredet kan forurense vannet i elven raskt, men det er vanskelig å måle. Vi håper vår teknologi kan gi målinger i sanntid, som viser hvordan ulike plantevernmidler beveger seg med vannet.
Prosjektets tverrfaglige konsortium består av fageksperter innen nanoteknologi, fotonikk, mikro- og nanofabrikasjon, materialvitenskap, maskinlæringsbasert signalbehandling og miljøkjemi. Noe av det som gjør STARDUST unikt er at målingen foregår i miniatyr, på en veldig liten mikrobrikke. I fremtiden håper forskerne at de kan utvikle en maskin på størrelse med en trillekoffert, som kan tas med og gjøre målinger direkte i elver, grunnvann og innsjøer.
Fakta om STARDUST:
- Prosjektet koordineres av SINTEF i Norge, som har omfattende erfaring med utvikling av mikrooptiske sensorer integrerte med mikrofluidikk. SINTEF bruker blant annet UV-nanoimprint litografi og 3D-mønstringsmetoder.
- STARDUST finansieres av EU og Norges Forskningsråd gjennom det europeiske partnerskapet Water4All.
- SINTEF har også ansvaret for at resultatene integreres med vannforvaltning etter prosjektets slutt. Målet er å bruke mikrosensorer for å styrke motstandsdyktighet mot økende klimabelastninger.
- Partnere er National Institute for Research and Development in Microtechnologies (Romania), National Institute of Materials Physics (Romania), Institute of Physical Chemistry, Polish Academy of Science (Polen), Dublin City University (Ireland) og Technical University of Denmark (Danmark) og SINTEF (Norge).
- SINTEF har erfaring fra flere industrielle prosjekter knyttet til mikrofluidiske teknologier for vannfiltrering.
Mer om prosjektet finner du på denne nettsiden: https://water4all.ro/stardust/
