Satellieten speuren naar gaslekken en ontbossing (Elsevier)

Steeds preciezer houden satellieten de aarde in de gaten. Vanuit de ruimte speuren ze naar gaslekken, stiekeme vervuilers en illegale bomenkap. Nederlandse innovaties spelen daarbij een belangrijke rol vooral in de ontwikkeling van meetinstrumenten. En die ontwikkelingen gaan in razend tempo door.

Amerikanen konden eind ­jaren vijftig horen hoe de Sovjet-Unie ze in de ruimte voorbijstreefde. Hun radio’s vingen de pieptoon op die de Spoetnik uitzond, de allereerste satelliet.

Uw cookieinstellingen laten het tonen van deze content niet toe. De volgende cookies zijn nodig: marketing. Wijzig uw instellingen om deze content te zien.

Ruim zestig jaar later is het leven onvoorstelbaar zonder de circa zesduizend navolgers van Spoetnik. Dankzij satellieten navigeren we met gps en kunnen we wereldwijd communiceren. Maar de apparaten houden ook de aarde in de ­gaten. Dat is handig wanneer observatie vanaf de grond onpraktisch is. Of wanneer je ergens niet kan of mag komen.

Minder luchtvervuiling tijdens lockdown

Satellieten kwijten zich steeds beter van hun spionnentaak. Wetenschappers zien preciezer dan ooit waar bomen worden omgehakt. Ze krijgen elke dag verse gegevens over luchtvervuiling. En jaarlijks lanceren ze nieuwe satellieten met nog meer mogelijkheden.

Afname van luchtvervuiling in Nederland door Corona-maatregelen:
Tropomi NO2-metingen van 22-26 maart 2020 vergeleken met 23-27 februari 2019 (een periode met vergelijkbare meteorologische omstandigheden).https://t.co/JmX57zGFeT pic.twitter.com/WV234uSlWf

— Helga van Leur ☀ (@helgavanleur) March 28, 2020

Nederland speelt hierin een belangrijke rol. Aan het begin van de coronapandemie gingen kaartjes de wereld over met daarop de door de lockdown extreem afgenomen luchtvervuiling in Wuhan en Noord-Italië. De kaartjes waren gemaakt met Tropomi, van Tropospheric Monitoring Instrument, een apparaat grotendeels bedacht en gebouwd in Nederland. In 2017 ging de meetapparatuur met een satelliet van het Europese ruimtevaart­agentschap ESA de ruimte in.

Vooral de technologie zet stappen vooruit

Dat satellieten steeds krachtiger worden, is vooral te danken aan technologische vooruitgang, zegt Ilse Aben (56), ­verantwoordelijk voor Tropomi bij het Nederlands ruimtevaartinstituut SRON en hoogleraar aan de Vrije Universiteit.

Elke keer als er een satelliet met een nieuw of verbeterd snufje de ruimte in gaat, groeien de mogelijkheden. Tropomi is daarvan een goede illustratie. Voorheen kon de luchtkwaliteit maar beperkt worden gemeten, maar Tropomi gaat dagelijks de hele wereld af voor metingen op stadsniveau. ‘Buitenlandse collega’s noemen Tropomi een game changer,’ zegt Aben. Zij en haar team gebruiken het instrument om enorme gaslekken op te sporen (zie ‘Zoeken naar gaslekken vanuit de ruimte’).

Een app helpt oerwoudbeschermers in Congo

Naast de ‘hardware’ verbeteren wetenschappers ook de analyse van data en weten ze deze slim te combineren. Zo worden radarsatellieten, waarmee je ontbossing door de wolken heen kunt zien, steeds nauwkeuriger. Het aantal pixels dat die naar de aarde sturen, neemt toe. En wetenschappers lukt het steeds beter om die gegevens te analyseren met kunstmatige intelligentie.

Johannes Reiche (37) en zijn team aan Wageningen University & Research maakten een algoritme dat ontbossing opspoort. Vorig jaar lanceerden zij het Radar Meldingen Systeem voor Detectie van Ontbossing (RADD) dat palmolie­leveranciers als Unilever een melding stuurt als er in Indonesië oerwoud wordt gekapt of platgebrand. In januari volgde een alarmsysteem voor het Congobekken (zie ‘Automatische melding als bomen worden gekapt’ ).

Maar ook de technische innovatie blijft doorgaan. SRON werkt momenteel onder meer aan de Sentinel-5. Die moet volgend jaar 817 kilometer de lucht in en vervangt de Sentinel-5P. De satelliet meet door middel van Nederlandse technologie de troposfeer, het laagste deel van de atmosfeer. Zo meet het methaan, koolmonoxide en andere broeikasgassen. ‘Dit is belangrijke informatie over de aarde en het klimaat,’ zegt Aaldert van Amerongen (43), hoofd van het aard­observatieprogramma van SRON.

In de ruimte wordt het steeds drukker

Weer een andere satelliet – SPEXone – gaat het stof in de lucht analyseren. ‘Door uitvindingen in samenwerking met onder meer de Universiteit Leiden, Airbus Defence and Space Netherlands, en TNO Delft kunnen we nu fijnstof met een factor 10 nauwkeuriger meten,’ zegt Van Amerongen. ‘We zien nu niet alleen het stof, maar ook wat voor stof het is: zeezout, zand of roet.’ In 2023 moet de SPEXone de lucht in, zo’n 676 kilometer.

Het is in de ruimte wel drukker dan in de tijd van de Spoetnik. Al lang lanceren niet meer alleen overheden de satellieten, maar ook commerciële partijen, zoals SpaceX, het ruimtevaart­bedrijf van Tesla-topman Elon Musk. Zijn ruim zeshonderd satellieten (op 346 kilometer hoogte) maken internet mogelijk, en dat worden er nog duizenden meer.

Voorbeeld 1: Zoeken naar gaslekken vanuit de ruimte

In Turkmenistan was in 2019 iets vreemds aan de hand. Een Canadees bedrijf zag met een proefsatelliet enorme wolken methaan – het voornaamste bestanddeel van aardgas – de lucht in gaan. Midden in de woestijn, waar niemand woont. En niemand had enig idee hoelang dit al gaande was.

Dus klopten de Canadezen bij Nederland aan. Hier hadden wetenschappers een jaar eerder het Tropomi-instrument gelanceerd, dat naast luchtvervuiling ook methaan kan ‘zien’. Uit de gegevens bleek dat in de Centraal-Aziatische woestijn al veel langer methaan lekte, zegt Ilse Aben (56), hoogleraar aan de Vrije Universiteit en onderzoeker bij ruimtevaartinstituut SRON. Boosdoener was een pijpleiding bij een compressorstation. Deze informatie werd doorgespeeld aan de Turkmenen, en warempel, vanuit de ruimte zagen Aben en haar collega’s dat het lekken stopte.

‘Lekken zijn vaak geen kwade opzet’

Het dichten van zulke lekken is nuttig, zegt Aben. Veel methaan komt vrij bij de gaswinning – uit lekke leidingen of bij boorputten en compressors die niet goed werken. Dit kost bedrijven geld. ‘Veel lekken zijn geen kwade opzet,’ zegt Aben. ‘Ze weten het gewoon niet.’ Dat komt doordat infrastructuur vaak afgelegen ligt en na de aanleg zelden wordt gecheckt. En de kennis is beperkt. Recent onderzoek in Mexico, zegt Aben, liet zien dat daar bij olie- en gaswinning op zee veel minder methaan lekt dan op het land. Terwijl de Mexicaanse overheid het tegenovergestelde dacht.

Groot methaanlek gedicht na ontdekking vanuit de ruimte door o.a. het Nederlandse @tropomi instrument: https://t.co/jD8iPqaW8g pic.twitter.com/efzjXo5L4f

— SRON Space Research (@SRON_Space) November 22, 2019

Ook voor het klimaat is het dichten slim. Methaan is over twintig jaar bezien zo’n 86 keer zo effectief als CO2 in het vasthouden van warmte. Na CO2 is methaan het voornaamste broeikasgas. De hoeveelheid in de atmosfeer groeit, deels door onnodige lekkages. Al komt ook methaan vrij door boerende koeien en uit moerassen.

Al weer tal van nieuwe lekken gevonden

Na Turkmenistan werkt Abens team nog altijd met het Canadese bedrijf. Tropomi houdt de hele wereld in de gaten. Als ze iets verdachts zien, seinen ze hun collega’s in. De nieuwe Canadese satelliet observeert maar kleine oppervlakten, maar kan lekken wel tot op 30 meter nauwkeurig lokaliseren. Aben vond al diverse nieuwe lekken, maar ze werkt nog aan de officiële publicatie.

Omdat Tropomi elke dag de wereld afgaat, is het geschikt om kortdurende lekken te spotten. Een voorbeeld is de Ohio blowout, een immens lek dat in 2018 ontstond na een ongeluk. In een kleine drie weken stootte het meer methaan uit dan de Nederlandse olie- en gassector in een jaar. Tropomi was de enige die kon meten hoeveel methaan de lucht in ging.

Voorbeeld 2: Klimaatbeleid: vertrouwen is goed, controle is beter

De ambities zijn ­af­gelopen jaar flink opgevoerd in het klimaatbeleid. Steeds meer landen willen in 2050 geen broeikasgassen meer uitstoten – zelfs China wil in 2060 naar nul. Nu moet blijken of die woorden worden omgezet in ­daden.

Om hun voortgang te volgen, houden landen een immense klimaatboekhouding bij. Daarin staat hoeveel steenkool er de hoogovens in gaat, hoeveel kilometers auto’s rijden, hoeveel gas cv-ketels verstoken en nog veel meer. Alle broeikasgassen die zo vrijkomen, tellen op tot de totale uitstoot. Die dus veel sneller moet gaan dalen.

Veel landen werken met tegenzin aan klimaatbeleid

Tot dusver moeten landen elkaar ‘op hun blauwe ogen geloven’. Naast de boekhouding zijn er geen onafhankelijke metingen van de CO2-uitstoot. Ook niet voor landen die met frisse tegenzin meewerken aan het klimaatbeleid, zoals Rusland en Brazilië. Of die, zoals China, geen goede reputatie hebben bij het aanleveren van statistieken.

Er zijn diverse initiatieven om de CO2-uitstoot vanuit de ruimte te gaan meten. Een van de meer ambitieuze is van de ­Europese Commissie. Vanaf 2025 gaan er drie CO2M-satellieten de ruimte in om de uitstoot van CO2 te meten. Dat levert nuttige inzichten op voor de welwillenden. Welk beleid helpt de uitstoot succesvol naar beneden? Waar neemt de ­natuur weer CO2 op?

Vals spelen gaat steeds meer lonen voor klimaatbeleid

Maar er kan ook worden gekeken of landen hun beloftes nakomen. En ook of er bedrijven zijn die zich niet aan de regels houden. Naarmate het klimaatbeleid meer tanden krijgt, loont het steeds meer om vals te spelen. Het verleden illustreert dat. Een paar jaar geleden betrapten wetenschappers nog Chinese ­fabrieken op het produceren van cfk’s. Deze stoffen tasten de ozonlaag aan en zijn al decennia verboden.

Uw cookieinstellingen laten het tonen van deze content niet toe. De volgende cookies zijn nodig: marketing. Wijzig uw instellingen om deze content te zien.

De Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA heeft al ervaring met het meten van CO2. In 2014 lanceerde zij een satelliet, genaamd OCO-2. Deze bewees dat compacte steden per inwoner echt minder broeikasgassen uitstoten. Ook kon de satelliet inschatten hoeveel CO2 vrijkwam bij een grote bosbrand.

Ambities zijn wel heel groot

Aangezien de EU-plannen veel ambi­tieuzer zijn, moet er nog flink wat vooruitgang worden geboekt. Zelfs veel experts zijn sceptisch of het gaat lukken om de klimaatboekhouding te doen met echte waarnemingen. En dan is er ook nog grote haast. Het lanceerjaar 2025 lijkt ver weg. ‘Maar voor satellietbouw is dat gevoelsmatig overmorgen,’ zegt Aaldert van Amerongen (43), hoofd van het aardobservatieprogramma bij ruimtevaartinstituut SRON.

Ook hier kan Nederland een bijdrage gaan leveren. Zo wordt de meting van CO2 op diverse manieren verstoord. Denk aan kleine deeltjes in de lucht. Door deze deeltjes precies te meten – iets wat Nederlandse ingenieurs goed kunnen – valt daarvoor te corrigeren en worden de CO2-metingen nauwkeuriger.

Voorbeeld 3: Automatische melding als bomen worden gekapt

In het Congobekken, een gebied dat zich uitstrekt over de Democratische Republiek Congo, de Republiek Congo, de Centraal-Afrikaanse Republiek, Gabon en Kameroen, wil de strijd tegen de bomenkap nog niet zo lukken. Het tempo van ontbossing is sinds 1990 gelijk gebleven en de laatste jaren zelfs versneld.

De lokale autoriteiten hebben er een middel bij gekregen in hun strijd tegen illegale bomenkap: de app RADD (Radar Meldingen Systeem voor Detectie van Ontbossing). Twee jaar werkten de wetenschappers van Wageningen University & Research (WUR) daaraan onder leiding van ­Johannes Reiche, en in januari is de app gelanceerd.

De Europese radarsatelliet Sentinel-1 (die op 693 kilometer hoogte draait) kan door het wolkendek heen kijken, wat gunstig is boven een tropisch regenwoud. Elke zes tot twaalf dagen stuurt de satelliet foto’s op een schaal van 10 bij 10 meter. Het is niet te doen om deze beelden handmatig te controleren op gaten in het bosgebied. Dat proces is door de WUR nu geautomatiseerd. ‘Het systeem vergelijkt de nieuwe foto met de eerdere foto,’ legt Reiche uit. ‘Als er een afwijking is, stuurt het automatisch een alert die je krijgt in de app.’

‘Veel bomenkamp is illegaal’

Met de app is het mogelijk om tot op hectareniveau te zien wat er gebeurt. Zo worden specifieke boomsoorten gekapt omdat ze ‘tropisch hardhout’ op­leveren. En waar dat gebeurt, ontstaan opeens wegen. ‘Veel bomenkap is illegaal,’ zegt Reiche.

Uw cookieinstellingen laten het tonen van deze content niet toe. De volgende cookies zijn nodig: marketing. Wijzig uw instellingen om deze content te zien.

Hij hoopt dat het alarmsysteem meer transparantie zal brengen. Een uitdaging in een land als Congo, dat op de corruptielijst op plaats 168 (van de 180) staat. ‘De gegevens zijn nu bijna realtime beschikbaar,’ zegt Reiche. Hij hoopt dat de ­lokale autoriteiten er daardoor sneller bij zijn. Door de samenwerking met Global Forest Watch, een onlineplatform dat de wereldwijde ontbossing laat zien, is de ontbossing voor ­iedereen te volgen.

Bevolking blijft maar groeien in het Congobekken

Volgens Reiche is het belangrijk om het Congobekken in de gaten te houden, omdat dit het grootste tropisch regenwoudgebied ter wereld is. Maar dat staat onder druk door de bevolkingsgroei. In Congo alleen al is de verwachting dat er in 2100 zo’n 362 miljoen mensen wonen, tegen nu 90 miljoen.

En al die mensen moeten eten. ‘Je ziet dat er bomen “verdwijnen” voor zelfvoorzienende landbouw,’ zegt Reiche. ‘Maar er is armoede. Dus wie zijn wij om te zeggen dat ze hun familie niet mogen voeden?’ Hij richt zich dus vooral op de illegale bomenkap en op mijnbouw, de derde belangrijke oorzaak van ontbossing in het Congobekken. Daarbij gaat het om kleine ­boeren die zoeken naar onder meer mineralen die worden gebruikt in telefoons. Vanuit de lucht is deze activiteit te herkennen aan wat Reiche open pit mining noemt. De handel in delfstoffen uit het Congobekken is schimmig, maar de vindplaatsen zijn nu goed te zien.

The post Satellieten speuren naar gaslekken en ontbossing appeared first on EWmagazine.nl.

https://www.ewmagazine.nl/kennis/achtergrond/2021/02/satellieten-speuren-naar-gaslekken-en-ontbossing-227594w/

Biosensor met bacterie-eiwitten toetst veiligheid drinkwater (Kennislink)

Ons drinkwater bevat soms vervuilingen zoals antibiotica, schoonmaakmiddelen en lood. Amerikaanse wetenschappers hebben een biosensor ontwikkeld die met eiwitten uit bacteriën dit soort schadelijke stoffen in water opspoort.

Niet al het drinkwater op de wereld is even schoon en zelfs in de westerse landen bevat het soms schadelijke stoffen. Actieve bestandsdelen van geneesmiddelen komen bijvoorbeeld na gebruik, via de zuiveringsinstallaties, terecht in het oppervlakte- en drinkwater. Volgens het RIVM gaat dat om zo’n 140 ton geneesmiddelresten per jaar. Ook zware metalen, zoals lood van oude waterleidingen, bevuilen soms het drinkwater. Zulke schadelijke stoffen kun je meestal niet zien of proeven. Wil je toch weten of je drinkwater zware metalen bevat, dan betaal je in Nederland ongeveer 150 euro voor een test en wacht je enkele weken op de uitslag van het laboratorium.

Trucje van de natuur

Onderzoeker Julius Lucks test de waterkwaliteit in Paradise, Californie met de ROSALIND biosensor.

Wetenschappers van Northwestern University ontwikkelden een thuistest die eenvoudig en snel controleert of water schadelijke stoffen bevat. Het principe daarvan is niet geheel nieuw. De wetenschappers keken het trucje af van de natuur. “Sommige bacteriën bevatten een soort smaakpapillen waarmee ze stoffen uit de omgeving detecteren”, vertelt Julius Lucks, leider van het onderzoek in het persbericht. De onderzoekers maakten dat systeem na in een reageerbuisje. Die biosensor kreeg de naam ROSALIND, als eerbetoon aan een van de ontdekkers van de DNA-structuur: Rosalind Franklin. De wetenschappers publiceerden hun resultaten in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Biotechnology.

De biosensor bestaat uit enkele kleine reageerbuisjes, waarvan elk een schadelijke stof test. Ieder buisje heeft slechts een druppel water nodig. Door kort tegen het buisje te tikken, vermengt het water zich met de materialen in het buisje en komt de reactie op gang. Indien de biosensor een schadelijke stof detecteert, licht de vloeistof binnen een uur groen op. Dat is met het oog te zien. Hoe meer licht de vloeistof geeft, hoe meer van de schadelijke stof in het water aanwezig is.

Biosensor ROSALIND van Northwestern University.

De wetenschappers bouwden de biosensor met biologische materialen die normaal in een cel voorkomen, zoals DNA en eiwitten. Het DNA in de biosensor codeert voor een molecuul dat samen met een ander stofje in het reageerbuisje licht geeft. Bacteriële eiwitten, de eerder genoemde ‘smaakpapillen’, werken als een rem op dat stukje DNA: zij blokkeren de aanmaak van lichtgevende stofjes. Pas wanneer het eiwit de schadelijke stof ‘proeft’, heft het zijn rem op en geeft de vloeistof licht.

Uitgelicht door de redactie

Informatica
Waarom privacy zo belangrijk is bij de nieuwe corona-app

Mooie toepassing

“Het onderzoek is goed en grondig uitgevoerd: wetenschappelijk zit het goed in elkaar.” Aan het woord is Vitor Martins Dos Santos. Deze hoogleraar aan Wageningen University & Research is niet betrokken bij het onderzoek, maar is gespecialiseerd in synthetische biologie. De biosensor is volgens hem geen geheel nieuwe, onverwachte ontdekking. Wetenschappers bedachten eerder soortgelijke sensoren, maar gebruikten daarvoor meestal levende micro-organismen.

Om een sensor met levende micro-organismen te laten werken, moeten ze in leven blijven. “Een grote concentratie schadelijke stoffen in het water is dodelijk voor micro-organismen, waardoor de resultaten niet meer betrouwbaar zijn”, legt Martins Dos Santos uit. Omdat de ROSALIND biosensor geen levende cellen bevat, vormt giftigheid geen probleem. De onderzoekers gebruikten alleen de deeltjes uit de cel die belangrijk zijn om schadelijke stoffen op te sporen. Hoewel andere wetenschappers dit in het verleden ook probeerden, was de technologie toen nog niet ver genoeg. “Deze nieuwe ontwikkeling is dus niet revolutionair, maar brengt wel onderzoek van de afgelopen jaren samen in een mooie toepassing”, aldus Martins Dos Santos.

Doe-het-zelftest

Met de nieuwe biosensor kunnen gemeenten en waterschappen straks ook de kwaliteit van natuurlijke wateren zoals rivieren en meren testen. De Amerikaanse wetenschappers namen zelf de proef op de som en onderzochten het water op vier locaties in Paradise, Californië. Daar hebben bosbranden geleid tot een opeenstapeling van giftige stoffen in het oppervlaktewater. Met hun ROSALIND-biosensor detecteerden de onderzoekers zink in twee locaties en zowel zink als koper in de andere twee. De resultaten kwamen overeen met die van klassieke analyses in het laboratorium.

De Amerikaanse wetenschappers namen zelf de proef op de som en onderzochten het water op vier locaties in Paradise, Californië met de biosensor.

De onderzoekers hopen dat met deze test iedereen straks snel en makkelijk kan meten hoe schoon het (drink)water is. Opslag en transport is geen probleem, want de biosensor kan bij kamertemperatuur twee en een halve maand bewaard worden. Wel is er een klein apparaatje nodig om het groene licht in de vloeistof te zien. De onderzoekers maakten dit apparaatje zelf met een 3D-printer en het produceren ervan kost zeven en een halve euro. Vanwege de lage kosten van zowel het apparaatje als de test zelf, is de biosensor ook geschikt voor gebruik in derdewereldlanden, waar juist veel drinkwater van slechte kwaliteit is.

De startup Stemloop wil de biosensor commercieel gaan produceren. Op dit moment kan ROSALIND zeventien verschillende stoffen detecteren. Maar de test is flexibel: de wetenschappers kunnen steeds nieuwe ‘smaakpapillen’ van bacteriën toevoegen en de test verder uitbreiden.

De startup is volgens Martins Dos Santos de moeite waard en een goede vervolgstap: “Ik zou het mooi vinden als de biosensor over een aantal jaar wereldwijd gebruikt kan worden.” Maar hij waarschuwt dat ROSALIND nog verdere ontwikkelstappen moet doorlopen. Het is bijvoorbeeld nog niet bekend hoe de biosensor reageert op sterke vervuiling. “Moleculen die in complexe afvalstromen voorkomen, kunnen het biologische systeem van de sensor verstoren en zijn werkzaamheid of gevoeligheid beïnvloeden”, aldus Martins Dos Santos. De onderzoekers moeten dus eerst testen hoe de biosensor in verschillende omgevingen en afvalstromen werkt, voordat we massaal ons leidingwater kunnen testen met de nieuwe biosensor.

https://www.nemokennislink.nl/publicaties/biosensor-met-bacterie-eiwitten-toetst-veiligheid-drinkwater/