Meten is weten, daarom is het zo onhandig dat stikstof in de lucht zich moeilijk laat ‘vangen’ met sensoren. Onderzoekers van de Radboud Universiteit hopen daar verandering in te brengen. Ze kregen onlangs zeven ton subsidie toegewezen om betere meetapparatuur te ontwikkelen.

Stikstof blijft de gemoederen bezighouden, of het nu in de media, politiek, op verjaardagen of tussen de tractoren op de snelweg is. ‘De modellen die stikstofmodellen meten zijn niet betrouwbaar’, is een veelgehoorde opmerking onder tegenstanders van het stikstofbeleid van de overheid.

Het klopt dat stikstofmodellen niet volledig nauwkeurig zijn. Een van de redenen is dat stikstof zich in de lucht veel moeilijker laat meten dan in de bodem. Het KNMI probeert die data wel te krijgen, via sensoren in hun weerballonnen, maar heel exact zijn hun resultaten nog niet.

Het weerinstituut klopte daarom bij Radboudonderzoekers aan: kunnen zij betere apparatuur maken dan wat nu de lucht in gaat? De teams van chemicus Paul Kouwer en natuurkundige Simone Cristescu gaan die uitdaging aan binnen het project GELSONDE. Daarvoor ontvangen ze zeven ton subsidie vanuit het NWO Open Technologie Programma (OTP).

‘Zo’n uitgebreide opstelling kan je niet zomaar in een weerballon meesturen of op straathoeken neerzetten’

‘Wat ik leuk vind aan dit project is dat we ook gelijk nadenken over een praktisch ontwerp, iets wat wij als wetenschappers lang niet altijd tegelijkertijd doen’, vertelt Kouwer enthousiast in zijn kantoor op de bovenste verdieping van het Huygensgebouw. De wetenschappers werken de komende jaren aan een prototype dat uiteindelijk zijn nut mag bewijzen bij het KNMI. Dat gebeurt door de kennis van scheikundige stoffen en sensortechnologie te combineren.

Fluoresceren

In nieuwsberichten gaat het vaak simpelweg over stikstof, maar eigenlijk zijn het twee soorten schadelijke stoffen: ammoniak en stikstofoxides. Ammoniak komt vooral in landbouwgebieden vrij, bijvoorbeeld via mest. De industrie en het verkeer stoten bij verbranding stikstofoxides uit, onder te verdelen in stikstofmonoxide en stikstofdioxide. Het GELSONDE-project richt zich op die laatste, stikstofdioxide (NO₂). Maar dat is erg moeilijk te meten. Kouwer: ‘Je kunt stikstofdioxide goed meten in een lab, met verschillende apparaten. Maar zo’n uitgebreide opstelling kan je niet zomaar in een weerballon meesturen of op straathoeken neerzetten.’

Er zijn simpelere apparaten te koop die beweren stikstof te detecteren, maar die meten volgens Kouwer een hele rits gassen zonder duidelijk aan te geven welk percentage ervan stikstofoxides zijn. ‘Wil je stikstofdioxide goed meten, dan moet dat indirect. Dat is de methode die het KNMI gebruikt. Ze sturen een sonde de lucht in met een chemische stof die reageert op stikstofdioxide door te fluoresceren.’ Sensoren in de sonde lezen vervolgens het fluorescente signaal af.

De stof die het KNMI op dit moment gebruikt voor die indirecte meting is luminol. Dat zou je kunnen kennen uit series als CSI. Denk aan een scene waarin rechercheurs in het appartement van een verdachte staan, een stofje ergens op spuiten, erop schijnen en ineens de bloedsporen van het slachtoffer zien. ‘In zo’n situatie licht het stofje op in reactie met bloed, maar je kunt het ook zo maken dat het oplicht bij stikstofdioxide’, legt Kouwer uit.

‘De pompjes gaan op grotere hoogte voortdurend kapot’

En in dit geval spuit je luminol niet rond in de ruimte, maar zuigt een pompje de buitenlucht het apparaat in en door de vloeibare luminoloplossing heen. Een ander pompje ververst die oplossing, omdat luminolmoleculen niet herbruikbaar zijn. Ze kunnen maar één keer oplichten in reactie op stikstofdioxide.

Die twee pompjes zijn een belangrijke achilleshiel van de meetmethode. Kouwer: ‘Door de luchtdruk en koude temperaturen gaan die op grotere hoogte voortdurend kapot.’ Sommige apparatuur sneuvelt onderweg naar boven al, andere doen met wat geluk een paar uur metingen. Er komt dus niet genoeg data binnen om een goed beeld te krijgen van de situatie. En in de data die wel binnenkomt, zit aardig wat ruis. Zulke zogeheten ‘achtergrondfluorenscentie’ ontstaat doordat er meer stofjes in de lucht hangen die kunnen oplichten in reactie met luminol. Hoe beter de sensoren, hoe beter ruis en stikstofdioxide van elkaar te onderscheiden zijn.

Stabiel gelmateriaal

Sensor Sense, een spin-offbedrijf van de universiteit gespecialiseerd in gassensoren, en onderzoeker Simone Cristescu keken met het KNMI mee naar hun meetmethode. Kouwer: ‘Zij concludeerden dat ze het fluorescerende signaal met hun apparatuur veel nauwkeuriger kunnen oppikken dan wat KNMI momenteel kan.’ Met minder ruis dus, waardoor de data die binnen komt nauwkeuriger en dus beter te gebruiken is.

Die conclusie was de aanzet voor het onderzoeksvoorstel waar Cristescu en Kouwer nu subsidie voor hebben gekregen. De groep van Cristescu gaat uitzoeken hoe ze hun sensortechniek kunnen verwerken in een apparaat dat in een weerballon mee kan, Kouwer gaat intussen aan de slag met het chemische deel.

‘We willen de moleculen in die gel efficiënter maken, zodat ze met minder stikstofdioxide al een helder signaal geven’

Kouwer denkt dat een gelmateriaal met daarin luminol beter kan werken dan de vloeistoffen die het KNMI nu gebruikt. Ze zouden dan van die kwetsbare pompjes af kunnen. Het is misschien niet helemaal te vermijden om vloeistoffen te gebruiken om luminol in de gel te verversen, geeft Kouwer toe. ‘Maar ik denk dat we een opstelling kunnen verzinnen die dat eenvoudiger doet dan een pompje, met bijvoorbeeld een vloeistof die gedreven door de zwaartekracht langzaam door de gel heen loopt.’

Hoe dat er precies moet uitzien, gaan ze nu onderzoeken. ‘Daarnaast willen we de moleculen in die gel efficiënter maken, zodat ze met veel minder stikstofdioxide al een helder signaal geven.’ Oftewel, je zou dan ook kleine hoeveelheden stikstof in de lucht kunnen meten.

24 uur stabiel

Een andere belangrijke vraag is waar het gelmateriaal zelf uit moet bestaan. Want gel is er in allerlei soorten en kan verschillende eigenschappen hebben: van haargel en gelatinetoetje tot bijvoorbeeld luiers op basis van polyacrylamide. Ook dat laatste is een gel, vertelt Kouwer, met als belangrijkste eigenschap dat het veel water kan vasthouden.

Kouwer en zijn collega’s mikken qua eigenschappen op een gel die minstens 24 uur lang stabiel blijft op grote hoogte. Zo zijn er nog een aantal voorwaarden waar de gel aan moet voldoen. Kouwer heeft een stuk of vijf kanshebbers in gedachten.

‘De gels die we hier in onze labopstelling gaan testen, kunnen we vervolgens twee verdiepingen lager in de apparatuur van Simona Cristescu meten.’ Bij Kouwer gaat een promovendus ermee aan de slag, bij Cristescu een post-doc. Over vier jaar is er dan hopelijk een werkend prototype klaar, dat met een KNMI-weerballon mee de wijde wereld in kan.