CIENCIA AL DÍA

Seis millones y medio de personas mueren cada año a causa de la contaminación del aire, según la Agencia Internacional de la Energía (IEA). En Lima, entre 2007 y 2011, se produjeron más de cinco mil muertes asociadas a la contaminación del aire, según un estudio realizado por el Consorcio de Investigación Económica y Social (CIES). Este tipo de contaminación es un serio problema urbano en todo el planeta y causa de accidentes cerebrovasculares, cánceres de pulmón y neumopatías crónicas y agudas, como el asma. Las partículas más perjudiciales para la salud son las de 10 micrones de diámetro, o menos (≤ PM10), porque pueden penetrar y alojarse en los pulmones de manera irreversible.

Las mediciones de la calidad del aire se expresan en concentraciones medias diarias o anuales de partículas PM10 por metro cúbico (m3) de aire. Son las partículas más finas (PM2,5 o más pequeñas), las más difíciles de medir.

En los últimos cinco años, precisamente cuando en el mundo se multiplicaba el uso de drones para tomar fotos y videos, una joven peruana de 23 años propuso un uso distinto e innovador para estos vehículos aéreos no tripulados: medir la contaminación ambiental. Así fue como Mónica Abarca, Ingeniera Mecatrónica de la PUCP, junto con Carlos Saito y Francisco Cuéllar, profesor y director de PUCP respectivamente, presentaron qAIRa (Quality Air Automation), una red de drones para monitoreo de la calidad del aire.

 Foto: qAIRa Vuelo de prueba de dron en las alturas de Cusco, Perú. Foto: qAIRa

Este proyecto nació en 2013 como una tesis de pregrado en la PUCP. En esa época el tema de drones estaba creciendo con fuerza, pero las aplicaciones se centraban más en la fotografía. Con mi asesor, Francisco Cuéllar, y mi mentor, Carlos Saito, queríamos realizar algo de mayor impacto con esta tecnología. Empezamos a investigar qué problemáticas mundiales podíamos resolver con estos aparatos y debido a la creciente preocupación por el cambio climático, decidimos orientarnos a esta soluciónMónica Lucia Abarca Abarca
Líder de proyecto

La idea inicial es proporcionar una solución que ayude a las industrias extractivas a ser más responsables con el medio ambiente. El dron serviría para que el sector minero pueda monitorear, con mucha mayor precisión y efectividad, la calidad del aire tanto para sus trabajadores como para las zonas de impacto aledañas a la extracción.

Encontramos que no existía un monitoreo eficiente de los contaminantes. Si bien las mineras están obligadas a construir estaciones fijas de moinitoreo, éstas solo pueden medir hasta una altura de 15 metros. Con el dron se puede llegar a medir hasta a 100 metros de altura y cubrir un área más amplia. Así se puede detectar, de manera más eficaz, si el aire contaminado está perjudicando a las poblaciones aledañas a las minas.Mónica Lucia Abarca Abarca
Líder de proyecto

El primer prototipo desarrollado por el equipo liderado por Abarca pesaba 3 kilos y medio.

Algunas partes fueron hechas en la sala VEO de la PUCP de impresión en 3D, el resto es de aluminio. Este prototipo puede medir hasta cinco contaminantes: ozono, monóxido de carbono, dióxido de nitrógeno, dióxido de azufre y sulfuro de hidrógeno.Mónica Lucia Abarca Abarca
Líder de proyecto

 Vuelo de prueba de dron en las alturas de Cusco, Perú. Foto: qAIRa

Con ese prototipo Mónica Abarca ganó el primer lugar en la Competencia de Impacto Global de Singularity University (SU) en 2015, el think tank de vanguardia tecnológica más reputado de los EEUU, fundado en Silicon Valley el 2008, con sede en la NASA Research Park. La competencia, en la que por primera vez participaban peruanos, premiaba a emprendedores con ideas innovadoras de alto impacto. Y fue justamente con el proyecto qAIRa con el que Abarca ganó la competencia global y una beca para estudiar en la Singularity University.

“Con este proyecto he aprendido muchísimo sobre drones y tecnología medioambiental”, confiesa la joven ingeniera que hoy ha logrado desarrollar un conocimiento importante sobre esta rama de la robótica gracias a la experiencia de sus compañeros Carlos Saito, ingeniero aeronáutico de la Fuerza Aérea de EE.UU., y Francisco Cuéllar, director del CETAM PUCP. . Junto con todo el equipo humano de la PUCP, que ahora se ha ampliado a nivel técnico y de gestión, Abarca siguió desarrollando la propuesta hasta convertirla en una red de drones.

Nos dimos cuenta que se necesita una red de drones porque esta tecnología aún tiene una limitación en cuanto al tiempo de vuelo, es decir, en cuanto a la cantidad de área que puede recorrer. Además, no solo utilizamos drones, sino que también hemos desarrollado módulos estáticos para monitoreo de calidad del aire que podemos colocar estratégicamente en las zonas de mayor contaminación luego de hacer un mapeo con el dronMónica Lucia Abarca Abarca
Líder de proyecto

 Vuelo de prueba de dron en las alturas de Cusco, Perú. Foto: qAIRa

Actualmente trabajan con dos tipos de drones, de diferentes funciones y particularidades. “Con los drones multirotores, conocidos como hexacópteros, medimos la calidad del aire; los gases contaminantes, mediante sensores de principios químicos. Mientras que para medir la contaminación por polvo usamos drones híbridos, es decir, aviones con capacidad de despegue y aterrizaje vertical; el híbrido es un desarrollo creciente a nivel mundial y único en Perú, gracias al trabajo de nuestro ingeniero Julio Ramírez con apoyo de Carlos. El híbrido está equipado con una cámara para tomar fotos que analiza la presencia de polvo mediante los algoritmos para imágenes desarrollados por nuestro ingeniero Antonio Angulo”.

El dron híbrido para monitoreo de polvo está equipado con una cámara capaz de detectar nubes de polvo y determinar la concentración y dirección de este material mediante un algoritmo de procesamiento de imágenes. El hexacóptero, que monitorea la calidad del aire puede medir monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), dióxido de nitrógeno (NO2), óxido de nitrógeno (NO), dióxido de azufre (SO2), ozono (O3), sulfuro de hidrógeno (H2S), y polvo material particulado PM1, PM2.5, PM10 mediante sensores electroquímicos. El material particulado es materia líquida o sólida que se encuentra suspendida en la atmósfera tras su emisión y está compuesto por polvo, hollín, cenizas, partículas metálicas y hasta polen o cemento. La numeración corresponde al diámetro de la partícula. Por ejemplo, PM1 es una partícula de un micrómetro, y un micrómetro es la milésima parte de un milímetro.

“Se deben implementar soluciones escalables con redes de drones y módulos de bajo costo que permitan capturar más data para entender mejor la problemática de la contaminación en Lima y de todo el país”, señala Mónica. Además afirma que “actualmente tenemos conocimiento de los niveles de contaminación en Lima pero de manera limitada porque no hay muchos puntos de medición, y una de las razones es que el sistema actual es muy costoso. Necesitamos medir más puntos y en más área. Los drones y los módulos proponen una solución tecnológica menos costosa.”

En Lima, actualmente solo hay 10 estaciones estáticas de monitoreo de la calidad del aire. Están equipadas con instrumentación costosa debido a que los equipos son certificados por la EPA (Environmental Protection Agency de los Estados Unidos).

Si bien la información acerca de los niveles de contaminación es muy precisa, la información que miden es aislada debido al alto costo de los instrumentos, lo que nos impide adquirir más y operar mejor.
Líder de proyecto

 Primer prototipo trabajado por el equipo de qAIRa. Foto: qAIRa

La red de drones propuesta por qAIRa permitirá un monitoreo más eficaz de la calidad del aire, abarcando mayores extensiones y recolectando data de buena calidad a un menor costo, debido a su manufactura nacional como a su capacidad de masificación. Pero este sistema actúa también en condiciones extremas de altura, a más de 5000 msnm.

Los drones comerciales están diseñados para volar al nivel del mar y tienen muchas dificultades para lograr un buen desempeño en altitud porque la densidad del aire es menor. Nuestros drones sí están diseñados para volar en ciudades hasta los 5000 msnm. Nuestros diseños en ingeniería y aeronáutica están pensados para que los drones tengan una buena performance en altura, esto implica soportar condiciones climáticas extremas como fuertes vientos, bajas temperaturas, etc., y con tiempos de vuelo por encima de los 30 minutos, frente a los 10 minutos que, como máximo, vuelan los drones comerciales
Líder de proyecto

El proyecto consta de dos etapas para integrar los drones con el sistema de medición de aire. La primera parte está casi finalizada. “Tenemos hasta el momento cinco plataformas: hexacóptero, cuadricóptero, dos aviones y un híbrido. La parte del sistema de medición de calidad del aire la tenemos en proceso de validación. Estamos probando nuestros sensores y nuestros algoritmos de procesamiento de data para asegurarnos de brindar data de calidad, lo más cercana posible a los métodos convencionales certificados”. El equipo ya ha realizado pruebas iniciales en Lima, y en enero y febrero de 2017 viajarán a La Oroya y Madre de Dios a realizar pruebas piloto con los drones y levantar información sobre la contaminación generada por la actividad minera-metalúrgica y la minería ilegal, respectivamente.

El equipo qAIRa también está desarrollando el software para procesar la información de la calidad del aire.

Queremos trabajar con el sector privado en esta solución, pero también con las municipalidades y los gobiernos regionales porque queremos democratizar la información de la calidad del aire. Con el software que estamos diseñando, el ciudadano común podrá conocer en tiempo real la calidad del aire que esta respirando
Líder de proyecto

 Foto: qAIRa

También están trabajando para lograr que los drones sean completamente autónomos, es decir, que no requieran de un operador cerca, avistando el dron.

Actualmente podemos controlar los drones mediante la red celular móvil, es decir, de ciudad en ciudad podemos mandar comandos al dron para que realice su ruta autónoma, gracias al desarrollo de nuestro ingeniero Javier Cerna. Basta con que el dispositivo que lo controla y el dron estén en una zona con cobertura de red móvil.
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El objetivo final es lograr generar una gran cantidad de data sobre la calidad del aire, usando tanto la red de drones como los módulos estáticos ubicados en diferentes partes de la ciudad, y generar mapas de contaminación del aire y acceso a datos en tiempo real.

Buscamos ayudar a democratizar esta información de manera que las ciudades estén empoderadas para ser agentes de cambio a favor del medio ambiente. Esperamos poder mostrar la data que estamos generando para mediados del 2017.
Líder de proyecto

Así es como en el Perú hacemos ciencia e innovación tecnológica para el desarrollo del país.

Redactado por: Claudia Cisneros