Mengenal Low-Cost Sensor (LCS) pada Pemantauan Kualitas Udara

Ilustrasi Sistem Pemantauan Kualitas udara Perkotaan. Sumber ilustrasi foto: desain Kemal maulana alhasa (penulis) menggunakan PPT

Pencemaran udara merupakan masalah utama bagi kesehatan manusia. Menurut organisasi kesehatan dunia WHO, pencemaran udara menyebabkan lebih dari 4 juta kematian dini di seluruh dunia setiap tahunnya. Namun, tetap saja pengukuran pencemaran udara tidak dilakukan secara masif karena mahalnya biaya pengadaan instrumen pengukuran (instrumen rujukan) kualitas udara.

Satu parameter pencemar yang diukur memerlukan biaya pengadaan sekitar $15.000 hingga $50.000. Oleh sebab itu, para peneliti dari 10-15 tahun ke belakang mengembangkan teknologi alternatif menggunakan sensor berbiaya murah (Low-Cost Sensor – LCS).

LCS merupakan teknologi yang sudah lama dikembangkan sebagai sistem peringatan dini pendeteksi kebocoran gas pada industri. Pada periode tersebut kemampuan LCS masih terbatas pada pengukuran konsentrasi tinggi yaitu part per million (ppm).

Namun seiring dengan perkembangan teknologi LCS menjadi perangkat yang lebih kecil, ringkas dan kemampuan pengukuran sudah pada level konsentrasi rendah yaitu pada rentang part per billion (ppb). Rentang tersebut sesuai dengan konsentrasi pencemar yang ada di daerah perkotaan.

Berdasarkan parameter polusi yang diukur, LCS sendiri terbagi menjadi dua jenis yaitu LCS gas dan LCS particulate matter (LCS-PM). LCS gas mempunyai beberapa jenis teknologi yang digunakan. Umumnya, teknologi Metal oxide gas sensor (MOS) dan Electrochemical (EC) sensor digunakan untuk mengukur parameter gas pencemar udara seperti karbon monoksida (carbon monoxide – CO), Ozon (O3), Nitrogen dioksida (Nitrogen dioxide – NO2), Sufur dioksida (SO2).

Baik MOS dan EC mempunyai prinsip pengoperasian berbasis reaksi kimia pada material penyusunnya. Bila terpapar dengan gas pencemar, material penyusun akan merespons dalam bentuk perubahan sifat materialnya.

Untuk MOS perubahan materialnya terletak pada sifat resistifnya atau hambatannya, sedangkan untuk EC perubahan sifat materialnya adalah berbentuk peningkatan arus listrik yang dihasilkan oleh material penyusunnya. Perubahan sifat material berbanding lurus dengan jumlah paparan gas pencemar.

Kalibrasi Sistem LCS di laboratorium. Sumber Foto: Kemal Maulana Alhasa (penulis)

Berbeda dengan LCS PM di mana LCS PM menggunakan teknologi berbasis optikal. Secara prinsip LCS PM memanfaatkan intensitas hamburan cahaya yang direfleksikan oleh partikel yang diukur. Kemudian intensitas tersebut dikonversikan menggunakan sebuah pendekatan ke dalam bentuk konsentrasi masa partikel.

Terdapat dua teknologi yang dikembangkan di dalam LCS PM yaitu Nephelometer dan optical particle counter (OPC). Pada prinsipnya kerja dari kedua teknologi tersebut adalah sama. Hanya saja terdapat perbedaan dari sisi pengukuran intensitas hamburan cahaya terdapat ukuran partikel.

Nephelometer menggunakan pendekatan pengukuran intensitas hamburan cahaya dari keseluruhan partikel yang masuk ke dalam ruang pengukuran, sedangkan OPC mengukur setiap partikel yang masuk kedalam ruang pengukuran. Oleh karena itu, di dalam teknologi OPC terdapat istilah Bin yang mewakili setiap rentang ukuran diameter partikel yang masuk ke dalam ruang pengukuran..

Sebuah LCS perlu didukung dengan perangkat elektronik lainnya. LCS perlu diintegrasikan data logger, jaringan komunikasi dan sistem manajemen sumber listrik menjadi sebuah sistem pemantauan kualitas udara. Masing-masing perangkat mempunyai fungsi dan peranya.

Misalnya sistem data logger digunakan untuk memproses, mengolah dan menyimpan data yang diukur oleh LCS, jaringan komunikasi digunakan untuk mengirim data ke dalam pusat data dan manajemen sumber daya listrik digunakan untuk mengatur suplai daya yang digunakan untuk menghidupkan sistem LCS.

Saat ini sistem LCS sudah sangat mudah didapatkan di pasaran. Namun, ada beberapa hal yang perlu diperhatikan ketika masyarakat ingin menggunakan sistem LCS sebagai alat pemantauan kualitas udara. LCS mempunyai keterbatasan dalam hal keakuratan dan kepresisian data hasil pengukuran.

Keakuratan dan kepresisian data yang dihasilkan oleh LCS sangat dipengaruhi oleh faktor lingkungan, kondisi cuaca dan masa pakai dari material penyusun sensor. Secara teori masa pakai dari LCS adalah 1-3 tahun tetapi di dalam praktiknya masa pakai dapat lebih singkat akibat dari faktor lingkungan dan cuaca.

Banyak dari LCS yang mengalami penurunan ketika kondisi suhu dan kelembapan di udara yang cenderung tinggi. Contohnya, terkadang hasil pengukuran LCS PM mengalami gangguan ketika nilai kelembaban tinggi. Hal ini sering terjadi karena sifat partikel yang dapat menyerap air sehingga ukuran partikel menjadi lebih besar yang dikenal dengan istilah hygroscopic.

Selain itu, faktor selektivitas pencemar juga mempengaruhi dari keakurasian dan kepresisian data yang dihasilkan oleh LCS. Banyak dari LCS gas tidak hanya mengukur parameter pencemar yang diinginkan melainkan parameter pencemar lainnya yang ada di udara juga ikut terukur di dalam pengukuran. Misalnya, ketika melakukan pengukuran pencemar O3, faktanya LCS gas tersebut tidak hanya mengukur pencemar O3 melainkan pencemar lain seperti NO2 juga ikut terukur di dalam pengukuran.

Ilustrasi kolokasi sistem LCS dengan SPKU. Sumber Foto: Kemal Maulana Alhasa (penulis).

Oleh karena itu perlu ada penyesuaian terlebih dahulu terhadap data hasil pengukuran agar keakurasian dan kepresisian dari sistem LCS dapat diterima. Penyesuaian tersebut dilakukan dengan cara melakukan kalibrasi. Terdapat dua cara kalibrasi yang perlu dilakukan kepada LCS yaitu di dalam laboratorium dan di lapangan tempat pengambilan sampel udara atau kolokasi dengan SPKU terdekat.

Jika hasil kalibrasi yang dilakukan tidak memenuhi persyaratan yang ditetapkan maka LCS perlu dilakukan penyesuaian kembali dengan menggunakan pendekatan matematis atau pendekatan yang lebih canggih menggunakan pembelajaran mesin (machine learning).

Hal yang perlu ditekankan adalah setelah melakukan kalibrasi di laboratorium, LCS perlu dilakukan kalibrasi kolokasi. Kalibrasi kolokasi adalah menempatkan LCS bersama-sama dengan reference instrument yang ada di SPKU agar terpapar dengan kondisi lingkungan luar yang sama.

Alasan mengapa perlu dilakukan kolokasi adalah karena hasil kalibrasi laboratorium mempunyai keterbatasan. Walaupun hasil kalibrasi yang didapat sudah baik tetapi belum menjamin data hasil pengukuran dari LCS ketika di lapangan mempunyai akurasi dan presisi yang baik. Karena kondisi lingkungan di dalam laboratorium adalah terkontrol berbeda dengan kondisi lingkungan di lapangan yang lebih dinamis.

Saat ini LCS telah masif digunakan. Kota-kota di negara maju sudah banyak menggunakan LCS sebagai perangkat pendukung jaringan SPKU mereka untuk membantu cakupan spasial data kualitas udara. Di Indonesia sendiri LCS juga sudah banyak diminati oleh masyarakat baik secara personal maupun komunitas.

Sayangnya, di Indoensia belum mempunyai protokol ataupun panduan yang jelas yang dikeluarkan oleh pemerintah untuk mengatur penggunaan LCS terutamanya bagaiamana proses Quality assurance (QA) dan Quality Check (QC) pada LCS seperti di negara maju. Di negara maju sudah mempunyai panduan penggunaan LCS sehingga data yang dihasilkan oleh LCS telah melewati proses QA dan QC.

Kegiatan QA dan QC adalah penting untuk memastikan data yang dihasilkan oleh LCS berkualitas dan mempunyai keakurasian dan kepresisian yang baik. Disinilah peran pemerintah untuk berkolaborasi dengan para akademisi, peneliti serta komunitas masyarakat di dalam pembuatan panduan teknis penggunaan LCS sebagai alternatif pemantauan kualitas udara di daerah perkotaan.