Hochfrequenzsignale (RF) sind ein Eckpfeiler moderner Technologie und ermöglichen drahtlose Kommunikation, Datenübertragung und Sensoranwendungen in einem breiten Spektrum von Bereichen und Aufgaben.
Eine von Cornell Tech geleitete Forschungsgruppe befindet sich in einem frühen Stadium der Entwicklung eines tragbaren, kostengünstigen Geräts, das Hochfrequenzsignale und maschinelles Lernen für eine weitere wichtige Aufgabe nutzt: die Messung des Bleiverunreinigungsgrads im Boden.
Das Labor von Rajalakshmi Nandakumar, Assistenzprofessor am Jacobs Technion-Cornell Institute an der Cornell Tech, hat SoilScanner entwickeltdas Radiowellen unterschiedlicher Frequenz von einem HF-Sender durch eine Bodenprobe an einen HF-Empfänger sendet, der die Auswirkung des Bodens – und wie viel Blei darin enthalten ist – auf das Signal aufzeigt.
Nandakumar ist leitender Autor und Yixuan Gao, ein Doktorand in Informatik, ist Hauptautor von „Feasibility of Radio Frequency Based Wireless Sensing of Lead Contamination in Soil“, das auf der International Conference on Embedded Wireless Systems mit einem Preis für das beste Papier ausgezeichnet wurde Netzwerke (EWSN ’24), fand vom 10. bis 13. Dezember in Abu Dhabi, Vereinigte Arabische Emirate, statt.
Weitere Mitwirkende waren Tanvir Ahmed, ein Doktorand der Informationswissenschaft und Mitglied von Nandakumars Labor; Zhongqi (Joshua) Cheng, Professor am Department of Earth and Environmental Sciences am Brooklyn College der City University of New York; und Mikhail Mohammed, ein Absolvent des Brooklyn College 2023, der jetzt für die Environmental Protection Agency (EPA) arbeitet.
„In den letzten Jahren, insbesondere während COVID, haben sich viele von uns darüber gefreut, einen eigenen Garten im Hinterhof zu haben oder mehr Zeit zu Hause zu verbringen“, sagte Nandakumar, der auch Mitglied der Abteilung für Informationswissenschaft an der Cornell Ann S. Bowers ist Hochschule für Informatik und Informationswissenschaft.
„Aber wenn man sich die Anleitung zum Anbau von Tomaten anschaut, sagt einem eigentlich niemand, dass man den Boden auf Blei untersuchen muss“, sagte sie. „Es geht nur um den pH-Wert. Viele von uns sind sich einer möglichen Bleiverunreinigung überhaupt nicht bewusst, obwohl wir sehr oft mit Böden interagieren.“
Gao sagte, die Gruppe sei durch eine Karte der Bleikontamination in New York City motiviert worden, die das Urban Soils Lab (USL) von Cheng im Laufe mehrerer Jahre mit Tests an Hunderten von Bodenproben in den fünf Bezirken erstellt habe. Die Tests ergaben an vielen Orten gefährlich hohe Bleiwerte, insbesondere im Norden Brooklyns.
Ungefähr 45 % der von USL getesteten Bodenproben wiesen Bleigehalte über 400 ppm auf, dem zuvor von der EPA empfohlenen Prüfwert (der vor einem Jahr auf 200 ppm für Wohnböden geändert wurde). „Das bedeutet, dass bei der Gartenarbeit auf diesen städtischen Böden ein erhebliches Risiko besteht“, sagte Gao.
Beim Testen auf Blei im Boden werden im Allgemeinen entweder Proben zur Analyse an ein Labor geschickt, was auf aggressive Chemikalien angewiesen ist und teuer sein kann, oder ein tragbares Röntgenfluoreszenzgerät verwendet, was für viele Gemeinden unerschwinglich ist.
Das Gerät der Gruppe ist einfach: Schmutz wird in einen Ein-Liter-Kunststoffbehälter zwischen Sender und Empfangsantenne gegeben. Der Sender sendet kurze Ausbrüche von Einzelton-HF-Signalen mit niedrigen und hohen Frequenzen (700 bis 1.000 Megahertz und 2,3 bis 2,5 Gigahertz) durch die Bodenprobe.
Der Messwert des Leistungsspektrums des Empfängers wird zur weiteren Analyse an ein maschinelles Lernmodell übergeben.
SoilScanner wurde an zwei verschiedenen Probensätzen kalibriert und getestet: 23 im Labor vorbereitete Schmutzproben, versetzt mit Blei; und 22 Feldproben unterschiedlicher Zusammensetzung. Es war in der Lage, Bleiverunreinigungen in natürlichen Feldproben mit einer Gesamtgenauigkeit von 72 % zu erkennen und wurde mit steigendem ppm-Wert sogar noch genauer. Bei Bleiwerten über 500 ppm lag die Fehlerquote bei null.
Nandakumars Labor werde weiterhin mit der von Cheng gegründeten USL zusammenarbeiten, um SoilScanner für Proben einzusetzen, die aus dem ganzen Land eingesandt wurden, sagte Gao. Das Team arbeitet außerdem an einer noch kleineren, kostengünstigeren, batteriebetriebenen Version des Geräts, die WLAN- und RFID-Chipsätze nutzt, wie sie in Smartphones und Computern zu finden sind.
„Das Ziel dieses Projekts“, sagte Nandakumar, „besteht darin, diese Technologie billiger und zugänglicher zu machen – sowohl für Menschen, die ihre eigenen Böden testen können, als auch für Regierungen, die Sanierungsmaßnahmen planen.“
Weitere Informationen:
Machbarkeit einer auf Radiofrequenz basierenden drahtlosen Erkennung von Blei
Kontamination im Boden: www.ewsn.org/file-repository/e … 4/ewsn24-final99.pdf