Väitös: Sähköiset hiukkasten mittausmenetelmät täydentävät perinteisiä ilmanlaadun mittauksia

Hengitysilmassamme leijuvat hiukkaset aiheuttavat vuosittain miljoonia ennenaikaisia kuolemia. Hiukkasia syntyy luonnollisistakin lähteistä, mutta nykyiset haasteet johtuvat ihmisen toiminnan aiheuttamista hiukkaspäästöistä, erityisesti liikenteestä ja pienpoltosta. Hiukkaslähteiden tuntemus ja hiukkasten terveysvaikutusten ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää ilmanlaadun parantamiseen tähtäävissä toimissa. Tämän vuoksi myös kattavat mittaukset ovat avainasemassa.

Yleisin tapa mitata hiukkasia on mitata niiden massa. Terveysnäkökulmasta pelkän massapitoisuuden tunteminen ei kuitenkaan riitä. Hiukkaskoot vaihtelevat useita kertaluokkia, aina muutamista nanometreistä kymmeniin mikrometreihin. Muutama suuri hiukkanen vastaa massaltaan valtavaa määrää niin kutsuttuja ultrapieniä hiukkasia (halkaisijaltaan alle 100 nm).

– Aiemmat tutkimukset osoittavat, että ultrapienet hiukkaset ovat erittäin haitallisia, vaikka niiden massa on hyvin vähäinen ja siksi pelkän hiukkasmassan mittaaminen ei riitä, Laura Salo selventää.

Väitöskirjassaan Salo tutkii, miten sähköiset mittausmenetelmät voivat parantaa ymmärrystämme hiukkaspäästöistä ja -pitoisuuksista, jotka liittyvät terveyteen. Väitöskirja sisältää mittauksia kaupungeissa ja maanalaisessa kaivoksessa: näissä ympäristöissä esiintyy ajoneuvojen moottoreista peräisin olevaa hiukkassaastetta, joka koostuu pääasiassa ultrapienistä hiukkasista.

Sähköiset mittausmenetelmät soveltuvat erittäin hyvin näiden pienempien hiukkasten havaitsemiseen, koska pienet varatut hiukkaset liikkuvat helposti sähkökentissä. Varatuista hiukkasista mitattu sähkövirta voidaan muuntaa esimerkiksi keuhkoihin asettuvaksi pinta-alaksi, jolloin saadaan hyvä arvio vaarallisuudesta.

Uusi hiukkasanturi soveltuu hyvin pienhiukkasten mittaamiseen

Väitöskirjassaan Salo esittelee vakiintuneiden sähköisten menetelmien lisäksi uuden hiukkasanturin, joka perustuu hiukkasten luonnollisen varauksen hyödyntämiseen. Aiemmissa vastaavissa antureissa käytetään sähköistä varaajaa.

Tärkeä havainto Salon tutkimuksessa on, että puhtaammassa kaupunkiympäristössä enemmistö keuhkoihin päätyvistä hiukkasista on hyvin pieniä ja peräisin paikallisista lähteistä, kun taas saastuneessa ympäristössä keuhkoihin päätyvät hiukkaset ovat suurempia ja todennäköisesti kulkeutuneet muualta. Tämä voisi selittää ristiriitoja, joita on havaittu eri maiden välillä liittyen hiukkasten terveysvaikutuksiin.

Massapitoisuus on hyvä mittari suuremmille hiukkasille, mutta pienempien paikallisesti syntyvien hiukkasten mittaamiseen tarvitaan muita menetelmiä, ja tähän tarkoitukseen Salo esittelee uuden hiukkasanturin. Anturiprototyyppiä testattiin Intiassa Delhin eteläpuolella sijaitsevan vilkkaan tien läheisyydessä. Testitulosten perusteella anturin vaste korreloi erittäin hyvin hiukkasten pinta-alan ja siten myös terveysvaikutusten kanssa.

– Käytimme uutta anturia erittäin saastuneessa ympäristössä ja yllätyimme positiivisesti siitä, miten hyvin se suoriutui vaikeissa olosuhteissa. Mittalaitteen tarkkuus on tietysti tärkeä arvioida, mutta käytettävyyteen vaikuttavat myös toimintavarmuus, hinta ja huoltoväli, jotka on tässä toteutuksessa otettu huomioon, hän kertoo.

Väitöstilaisuus perjantaina 16. kesäkuuta

Diplomi-insinööri Laura Salon aerosolifysiikan alaan kuuluva väitöskirja nimeltään Characterization and Development of Electrical Methods for Aerosol Measurement tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnassa perjantaina 16. kesäkuuta 2023 klo 12 alkaen Hervannan kampuksella, Tietotalon salissa TB104 (Korkeakoulunkatu 1, Tampere). Vastaväittäjänä toimii professori Naomi Zimmerman (University of British Columbia). Kustoksena toimii professori Topi Rönkkö Tampereen yliopistosta.