Metrologia dziedziną dążącą do standaryzacji

Metrologia przykuwa uwagę na arenie międzynarodowej, głównie przy wyznaczaniu wspólnych standardów przeprowadzania eksperymentów naukowych i pomiaru ich wyników.

Pod koniec 2019 r. fizyk dr Lorenzo Pattelli był członkiem włosko-chińskiego zespołu naukowego pracującego nad technologią chłodzenia, która szybko zyskuje na popularności, ponieważ Ziemia staje się coraz gorętsza w wyniku zmian klimatycznych.

Technologia zwana pasywnym chłodzeniem radiacyjnym w ciągu dnia (PDRC), wykorzystuje materiały do odbijania promieniowania słonecznego. Pomysł polega na tym, że podczas fal upałów panele PDRC chłodziłyby budynki bez potrzeby stosowania energochłonnej klimatyzacji.

Tuż przed tym, jak zespół Pattelliego był gotowy do opublikowania wyników swoich badań nad efektami chłodzenia konkretnego materiału, inna grupa badawcza opublikowała artykuł na temat bardzo podobnego materiału, który wykazywał dwukrotnie lepszy efekt chłodzenia. „Na początku byliśmy nieco rozczarowani, ponieważ wyglądało na to, że zostaliśmy pokonani” – powiedział Pattelli.

Metrologia, czyli dziedzina nauki, która opiera się na pomiarach, nawet minimalne odchylenia mają znaczenie, które mogą zaważyć na renomie badania. Oceniając wydajność nowych technologii, naukowcy muszą stosować wspólne standardy, aby wyniki były porównywalne nie zależnie od tego gdzie w tym momencie się znajdują. Początkowo włosko-chiński zespół badaczy nie potrafił wyjaśnić rozbieżności między wynikami dotyczącymi efektu chłodzenia materiałów. Jak dwa eksperymenty mogły dać tak różne wyniki? Wyjaśnienie znalazło w informacjach uzupełniających do artykułu drugiej grupy badawczej, w którym stwierdzono, że testy przeprowadzono na pustyni Atacama w Chile. „Płaskowyż Atacama znajduje się na dużej wysokości z niższym ciśnieniem atmosferycznym i bardzo niską wilgotnością” – powiedział. „My natomiast testowaliśmy nasz materiał w centrum Pekinu. Żadne z badań nie było błędne, ale druga grupa testowała swój materiał w znacznie bardziej sprzyjających warunkach”.

Miejsce oraz warunki atmosferyczne podczas wykonywania badania pokazuje, dlaczego metrologia jest tak ważna. Bez niej wyniki badań mogą się drastycznie różnić, a w rezultacie zaufanie społeczne do nauki może ulec erozji.

Międzynarodowe instytucje zaczynają zwracać większą uwagę na metrologię. UNESCO po raz pierwszy obchodziło Światowy Dzień Metrologii w dniu 20 maja 2024 r., a poprzez Europejskie Partnerstwo w dziedzinie Metrologii, Unia Europejska i jej państwa członkowskie inwestują w tę dziedzinę.

Pattelli, pracownik naukowy Narodowego Instytutu Metrologii we Włoszech, kieruje obecnie projektem, który otrzymał dofinansowanie w ramach partnerstwa w celu określenia najlepszych standardów pomiarowych dla materiałów PDRC. Projekt o nazwie PaRaMetriC rozpoczął się w 2022 roku i potrwa do 2025 roku.

Podekscytowanie związane z PDRC skłoniło zespoły naukowe na całym świecie do poszukiwania największych efektów chłodzenia dla poszczególnych materiałów, co według Pattellego przyniosło wątpliwe wyniki.

„Niektóre z twierdzeń, które widzimy w najnowszych artykułach, są wyraźnie stronnicze” – powiedział. „Metrologia jest tutaj bardzo potrzebna, aby ustalić wytyczne dotyczące dobrych praktyk”. PaRaMetriC ustanawia standardy i protokoły pomiarowe dla badań PDRC. Projekt ma na celu między innymi pomiar chłodzenia za pomocą wody zamiast temperatury powietrza.

Naukowcy zbudowali urządzenie do pomiaru strumienia i temperatury wody, która wpływa i wypływa, gdy jest chłodzona przez materiał. Woda dotyka tutaj materiału i jest przez niego chłodzona, umożliwiając lepsze pomiary stopnia chłodzenia. „Pomiar temperatury w powietrzu jest obarczony dużą niepewnością, zwłaszcza biorąc pod uwagę, że efekt PDRC występuje na zewnątrz” – powiedział Pattelli. „Pomiar temperatury cieczy jest o wiele bardziej wiarygodny”.

Powiedział, że chociaż temperatura otoczenia nadal musi być mierzona w powietrzu, użycie cieczy zapewnia bardziej wiarygodny pomiar rzeczywistej mocy chłodzenia zapewnianej przez różne materiały. PaRaMetriC planuje ustawić pomiary porównawcze na zestawie materiałów PDRC. Pomiary te mogą być następnie wykorzystywane przez inne projekty jako wspólny punkt odniesienia do oceny wydajności chłodzenia nowo proponowanych materiałów.

Metrologia jest przydatna nie tylko do oceny twierdzeń dotyczących nowych technologii, ale także do wykrywania postępów zmian klimatycznych.

„Zaufanie do badań jest ograniczone, jeśli każdy mierzy rzeczy na swój własny sposób” – powiedział. „Odpowiednie procedury mogą to złagodzić”. Inny projekt finansowany przez Europejskie Partnerstwo w dziedzinie Metrologii ma na celu poprawę pomiarów metanu, silnego gazu cieplarnianego, w atmosferze. Projekt o nazwie isoMET również będzie realizowany w latach 2022-2025.

Jedną z metod określania pochodzenia metanu w atmosferze jest pomiar stosunku izotopów. Można to zrobić na kilka sposobów. W jednym z nich – laserowej spektroskopii absorpcyjnej – zbiornik jest wypełniany powietrzem, po czym światło lasera przechodzi przez niego i mierzy stężenie i stosunek izotopów w próbce. Pozwala to naukowcom ocenić stężenie metanu w określonym miejscu – a nawet skąd pochodzi. „To jak odcisk palca metanu” – powiedział dr Javis Nwaboh, naukowiec z National Metrology Institute of Germany i członek isoMET. „Możemy określić jego źródło, na przykład rolnictwo lub spalanie paliw kopalnych”. Jednak również w tym przypadku dominuje brak wspólnych standardów lub procedur pomiarowych. „Pomiary nie są zharmonizowane między różnymi laboratoriami” – powiedział Nwaboh. „Dlatego wyniki różnych badań mogą się różnić. Utrudnia to walkę ze zmianami klimatu”.

Badacze isoMET dążą do ustanowienia jednego zestawu standardów, które mogą być stosowane na arenie międzynarodowej, aby wyniki stały się porównywalne. Po zakończeniu projektu w 2025 r., zarówno isoMET, jak i PaRaMetriC będą starały się skłonić całą społeczność naukową do przyjęcia ich standardów. Projekty będą to robić poprzez prezentowanie swoich wyników naukowcom i pokazywanie im, dlaczego istniejące standardy pomiarowe mogą być nieodpowiednie.

Dla Nwaboh i Pattelli takie kroki są niezbędne, aby wzmocnić zaufanie do nauki i przeciwdziałać możliwości, że naukowcy pod presją opublikowania interesujących wyników przedstawią swoje badania jako bardziej spektakularne niż w rzeczywistości.

Standaryzacja pomiarów oraz wyników badań przełoży się na zwiększenie zaufania do badań przeprowadzanych przez nowo utworzone grupy ekspertów. Posiadając pewien kodeks postępowania będzie wiadomym w jaki sposób postępować podczas wykonywania testów oraz przyśpieszy to niektóre czynności, ponieważ będzie wiadomym w jaki sposób postępować w określonych sytuacjach.

Szymon Ślubowski