Eye on Air uit Enschede is hard op weg om twee nieuwe apparaten voor het detecteren van explosieven op de markt te brengen.
Ze zijn uitgerust met een kleinere, gevoeligere en selectievere IMS-sensor dan tot nu toe wordt gebruikt in ETD (‘explosive trace detection’) apparaten. Waar de Eyon1 de concurrentie aangaat met de bestaande, grotere en zwaardereETD-apparaten, die gebruik maken van een ‘swap stick’ voor de bemonstering, is de AirBrush een stand-off apparaat, dat is ontwikkeld voor de detectie van explosieven in aangezogen lucht rondom de schoenen van de te controleren personen. Nauwkeurige standaarden spelen een essentiële rol bij het testen en certificeren van beide apparaten.
Een gat in je sok, twee verschillende sokken aan, zweetvoeten, of niet meer zo piep om zonder ondersteuning van een stoel in een gestreste rij vliegtuigpassagiers snel je schoenen uit en weer aan te doen. Dergelijke op met name Amerikaanse vliegvelden veel voorkomende scenario’s maken dat het verplicht uittrekken van schoenen voor de beveiligingscontrole nog boven het ook al niet zo geliefde fouilleren in het lijstje van grootste ergernissen op het vliegveld staat.
Die schoencontrole heeft alles te maken met enkele mislukte terroristische aanslagen op vliegtuigen begin deze eeuw met behulp van in de schoen verstopte explosieven. Door ze uit te laten trekken en –net als bij het scannen van bagage en kleding van de passagiers– met behulp van een ‘swap stick’ te onderzoeken is de kans op detectie van een explosief groter (en ontmoedig je door de extra aandacht wellicht ook andere mensen die iets slechts in gedachten hebben).
De ‘swap stick’ is een monstername-tool die potentieel aanwezige deeltjes van explosieve stoffen, die door hun kleverigheid achter kunnen blijven op bijvoorbeeld kleding en handen van mensen die er mee in de weer zijn geweest, verzamelt op een aluminium strip. Detectie gebeurt na verdamping van het monster in een ETD (‘explosive trace detection’) apparaat, dat in veel gevallen op basis van ion-mobiliteit spectrometrie (IMS) het piekenpatroon van ionfragmenten van het monster vergelijkt met een bibliotheek van piekenpatronen, die specifiek zijn voor explosieve verbindingen. Die analyse verloopt bijzonder snel: binnen vijf seconden na plaatsen van de ‘swap stick’ geeft het apparaat aan of het wel of geen explosief heeft gedetecteerd.
Ewout Maaskant, CEO van Eye on Air, met de compacte IMS-sensor, die het verschil maakt in twee binnenkort op de markt te brengen apparaten voor het detecteren van sporen van explosieven.
IMS
Het algemene proces achter IMS is in drie stappen te beschrijven. De eerste stap is ionisatie, waarbij de te analyseren stof door bijvoorbeeld coronaontlading (in het geval van de apparatuur van Eye on Air), MALDI of EI wordt opgesplitst in ionen. Deze ionen worden vervolgens in specifieke intervallen pulsgewijs in de driftruimte gebracht, waar ze onder invloed van een elektrisch veld migreren. Op basis van parameters als lading en grootte bereiken ze op verschillende tijden het einde van de driftruimte, waar ze worden gedetecteerd. Door het piekenpatroon te vergelijken met een bibliotheek van piekenpatronen van referentiestoffen kan een uitspraak worden gedaan over de aanwezigheid van één of meer explosieven.
Patenten
In de ruim 60 jaar dat de IMS-techniek bekend is, zijn er vele varianten ontwikkeld en talloze verbeteringen doorgevoerd. Dat was voor Sergey Mitko en Yuri Oudalov, die Eye on Air in 2013 oprichtten, en er nu aan verbonden zijn als respectievelijk CSO en medewerker, geen reden om er niet verder aan te sleutelen. Hun idee was dat de IMS-techniek compacter en eenvoudiger kon worden uitgevoerd en tegelijkertijd gevoeliger en specifieker kon worden gemaakt. De crux voor deze mix van verbeteringen zit hem in het optimaal doseren van de ionen in de driftruimte, ook wel de cartridge genoemd. Koen Bosman, die als CTO aan het hoofd staat van het engineering team bij Eye on Air, legt uit hoe dat in zijn werk gaat.
“Om de gevoeligheid zo groot mogelijk te houden wil je in principe alle geïoniseerde moleculen in de cartridge hebben. Tegelijkertijd ambieer je vanwege de specificiteit een bepaalde bandbreedte: de wolkjes ionen die je binnenhaalt wil je hiervoor zo smal mogelijk houden. In de klassieke ontwerpen werd dit opgelost door een driftruimte te ontwerpen van 20 centimeter of langer. Je kon dan een bredere wolk ionen binnenhalen, omdat er voldoende migratie-afstand was om die wolk met de gewenste resolutie uit elkaar te trekken. Bij een kleinere afstand gaat die vlieger niet op. Mitko en Yuri hebben dat ondervangen met een inmiddels gepatenteerd ontwerp waarbij je ondanks dat je de gate kort opent toch een maximale influx van ionen hebt. Ook zijn we erin geslaagd om het sensorsysteem een stuk compacter te maken met een veel kortere driftruimte, onder andere door een eveneens gepatenteerde constructie, waarbij de ionenflow onder invloed van het elektrisch veld haaks op de analytische cel staat.”
CTO Koen Bosman bij het Eyon1 ETD (‘explosive trace detection’) apparaat. De gevoeligheid en selectiviteit van dit apparaat is geoptimaliseerd op basis van talloze analyses met (mengsels van) door Da Vinci Laboratory Solutions geleverde referentiestandaarden van een keur aan explosieven
Met door Da Vinci Laboratory Solutions geleverde referentiestandaarden van explosieven test Eye on Air de gevoeligheid en selectiviteit van de IMS (ionmobiliteit spectrometrie) sensor, die het hart vormt van twee binnenkort op de markt te brengen apparaten voor het detecteren van sporen van explosieven.
Nieuwe producten
Op basis van het compacte IMS sensorsysteem hebben de engineers van Eye on Air twee apparaten ontwikkeld. Het ene, de Eyon1, is een ETD-apparaat dat net als het gros van de in gebruik zijnde apparaten (alleen al op luchthavens zijn dat er wereldwijd meer dan 10.000) via een ‘swap stick’ de te onderzoeken objecten bemonstert.
Het andere apparaat, de AirBrush, wijkt conceptueel sterk af van de klassieke ETD-apparaten. “Het grootste verschil is dat we voor de bemonstering niet meer fysiek contact maken met het object, in dit geval de schoen, maar dat we voldoende hebben aan de lucht rondom de schoen. Dankzij het compacte ontwerp van het IMS-sensorsysteem kunnen we de sensor zo dicht bij de potentiële bron van explosieven plaatsen dat de lucht maar een kleine afstand hoeft af te leggen. We profiteren ook van de betere gevoeligheid en specificiteit van de nieuwe IMS-sensor, want de concentraties aan explosieven in de bemonsterde lucht zijn stukken lager dan die in de damp van bemonsterde deeltjes, die je meet in de ‘gewone’ ETD-apparaten.
Met de specificiteit en selectiviteit van de traditionele IMS-apparatuur zou dat helemaal niet lukken. Een ander verschil is dat we in tegenstelling tot klassieke IMS geen drijfgas gebruiken in de cartridge, maar de opgezogen omgevingslucht drogen. Het is namelijk belangrijk dat er zo weinig mogelijk water in de lucht zit, want watermoleculen clusteren met ionen. Hierdoor worden de ioncomplexen groter en zwaarder, zodat ze langzamer migreren en kunnen interfereren met andere pieken in je spectrum”, vertelt Ewout Maaskant, CEO van Eye on Air. “Het optimaliseren van de aangezogen lucht bij de AirBrush vormde overigens nog een flinke uitdaging”, vervolgt hij. “De luchtflow is een mechanische flow. Als je de lucht rond de schoenen te hard aanzuigt, krijg je wervelingen, zodat een deel van de moleculen misschien een heel andere kant op gaat. Maar het mag ook niet weer te zacht. In dat geval zal het merendeel van de moleculen de sensor niet eens bereiken.”
Standaarden
Om te testen op gevoeligheid en selectiviteit en op basis hiervan de systemen te optimaliseren maakt Eye on Air gebruik van (deels custom) referentiestandaarden van een keur aan explosieven. Deze standaarden van AccuStandard die door Da Vinci Laboratory Solutions zijn geleverd, hebben de vereiste zuiverheid voor nauwkeurige bepalingen. Dit is zeker bij de Eyon1 een must, omdat daarmee betrouwbaar zeer kleine hoeveelheden moeten kunnen worden gedetecteerd, tot op het niveau van de detectielimiet. De engineers maken hiertoe zelf de benodigde verdunningsreeksen.
Uiteindelijk moet het systeem zodanig zijn geoptimaliseerd dat kan worden voldaan aan de strenge certificeringseisen voor beveiligingstoepassingen in de luchtvaart. In Europa gelden hiervoor de richtlijnen van de ECAC (European Civil Aviation Conference). De ECAC geeft hierin ook aan welke explosieven met welke minimale concentratie het apparaat moet kunnen detecteren.
Om mensen met foute bedoelingen niet wijzer te maken dan ze al zijn, wordt deze lijst alleen gedeeld met stakeholders, waaronder apparatenbouwers als Eye on Air. Ewout Maaskant mag op basis van die vertrouwelijkheid zelfs niet zeggen hoeveel explosieven er op die lijst staan “De testprocedure voor de certificering is overigens met nog meer geheimzinnigheid omgeven. Ze willen te allen tijde uitsluiten dat de fabrikant gaat optimaliseren voor het testmengsel.”
Bij de Air Brush voert de rondom de schoenen aangezogen lucht de eventueel aanwezige explosieven naar de IMS-sensoren, die in de twee behuizingen naast de schoenvlakken zitten.
Op de bijbehorende console is dan bijna direct te zien of er wel of geen explosieven zijn gedetecteerd.
Vals-positief
Waar het wat de testresultaten betreft bij de luchtvaartautoriteiten voor 100% om de veiligheid draait, zit hier voor de gebruikers –de luchthavens– ook een meer pragmatische kant aan. “Natuurlijk willen zij ook dat de veiligheid zo goed als mogelijk wordt geborgd, dat wil zeggen dat je geen missers in je analyse hebt, maar ze zitten ook niet te wachten op teveel valspositieve resultaten. Elke onterechte alarmering is er een te veel en zorgt voor vertraging in de afhandeling van de passagiersstromen. Een beruchte klasse van componenten vormen glycerines, die in allerlei crèmes zitten. Sommige pieken daarvan zitten dichtbij pieken van bepaalde explosieven in je IMSspectrum. Je kunt hierop anticiperen door je analyse-window voor bepaalde explosieven wat nauwer te definiëren. De definitie is altijd een afweging: windows mogen echter niet te nauw zijn, want dan heb je de kans dat je wat mist, maar ook niet te ruim, want dan heb je een grotere kans op vals-positieven. Je moet 100% zekerheid hebben dat op basis van vergelijking met de spectra van explosieven in je bibliotheek een bepaalde combinatie van pieken in het spectrum kan worden toegekend aan bepaalde explosieven. Vandaar dat goede referentiestandaarden ook zo belangrijk zijn.”
Ongewis
Ewout Maaskant vindt het gezien de huidige ontwikkelingen in de luchtvaartindustrie ten gevolge van de covid-19 crisis lastig om te voorspellen wanneer de eerste systemen operationeel zullen zijn. “Sowieso is er al een verschillend certificeringstraject voor de beide apparaten. Voor de Eyon1 zijn er al bestaande ECAC-regels; het type product is al gedefinieerd. Maar de AirBrush is een echt nieuw product. Daar bestaat nog geen certificeringsprotocol voor. In Europa is men wel al bezig om certificering voor te bereiden voor een nieuwe klasse van producten, de ‘shoe explosion detection devices’ (SEDD’s); daar kunnen we dan met de AirBrush op aansluiten en kunnen we in eerste instantie een traject van voorlopige certificering ingaan. Als we die binnen hebben kan een luchthaven aangeven dat ze met de AirBrush willen gaan testen. Hiervoor hebben ze wel weer toestemming nodig van de nationale autoriteiten. Hoeveel tijd er met dat hele traject is gemoeid, is moeilijk in te schatten.”
Kansrijk
Waar er nog enige onzekerheid is over de planning is Ewout Maaskant een stuk stelliger over de marktkansen van de nieuwe producten. “Naast de pré’s van flexibiliteit, gevoeligheid en specificiteit kent de Eyon1 flink lagere gebruikskosten dan vergelijkbare ETD-apparaten. Een groot deel van de lopende kosten zit hem bijvoorbeeld in de ‘molecular sieve’, die wordt gebruikt om de driftruimte droog te houden. Omdat wij een extreem kleine driftruimte hebben, liggen de kosten voor het jaarlijks vervangen van die zeef een flink stuk lager. En dat zal –zeker in deze ongewisse tijden– menig luchthaven aanspreken.”
Voor de AirBrush zal de grote capaciteit (120+ passagiers per uur) in combinatie met de duidelijke gebruikersinterface aanspreken, zo is mede op basis van praktijktesten in opstellingen waar andere dan passagiers werden gecheckt, de verwachting. “Het is een kwestie van met je schoenen op de juiste plek gaan staan en dan heb je binnen tien seconden een ‘go’ of ‘no go’. Over de zekerheid van groen of rood hoeft niet getwijfeld te worden. Die is door het vele testen op basis van de referentiestandaarden van Da Vinci en daaropvolgende optimaliseringsslagen meer dan voldoende geborgd.”