Czujnik dwutlenku węgla o rozmiarach poniżej centymetra sześciennego

Każdego roku 7 milionów ludzi umiera na całym świecie w wyniku kontaktu z zanieczyszczonym powietrzem. Ponieważ stężenie zanieczyszczeń  w pomieszczeniach może być do 5 razy większe niż na zewnątrz, jakość powietrza wewnątrz budynków jest obecnie jednym z pięciu największych zagrożeń środowiskowych dla zdrowia publicznego, wpływając na efektywność energetyczną, wydajność, samopoczucie i zdrowie ludzi.

Jednym z aspektów, który negatywnie wpływa na jakość powietrza w pomieszczeniach, jest oczywiście obecność dwutlenku węgla (CO₂). Ludzie naturalnie wytwarzają CO₂ podczas metabolizowania węglowodanów w celu wytwarzania energii i wydychają go podczas oddychania. Jeśli jednak stężenie CO₂ w powietrzu wzrasta, naturalny balans stężenia CO₂ pomiędzy płucami a wdychanym powietrzem staje się zachwiany, a organizm ma mniejszą zdolność wydalania tego gazu. To z kolei prowadzi do wyższego poziomu CO₂ we krwi, co może wpływać na kluczowe funkcje organizmu.

Koronawirus może rozprzestrzeniać się za pośrednictwem mikrokropel, które mogą przebyć dziesiątki metrów

Oprócz CO₂ na jakość powietrza w pomieszczeniach negatywnie wpływa kilka innych składników: farby i rozpuszczalniki, sierść zwierząt i - co być może jest najbardziej istotne w dzisiejszych czasach - bakterie i wirusy.

COVID-19, podobnie jak wiele innych wirusów, rozprzestrzenia się poprzez kropelki oddechowe, które są emitowane przez zarażonych ludzi w trakcie oddychania, kaszlu i kichania, a także jest przenoszony poprzez bezpośredni, wspólny kontakt ze skażonymi powierzchniami. Choroby zakaźne często stają się bardziej rozpowszechnione w chłodniejszych miesiącach, ponieważ ludzie spędzają więcej czasu w pomieszczeniach, gdzie jakość powietrza jest gorsza.

Aby ograniczyć rozprzestrzenianie się COVID-19 za pośrednictwem dużych kropelek oddechowych (które spadają blisko źródła, zwykle w odległości 1-2 metrów) i zmniejszyć kontakt z skażonymi powierzchniami, wprowadzono dystans społeczny i położono nacisk na częstsze mycie rąk. Jednak trzecim sposobem rozprzestrzeniania się wielu wirusów jest ich przenoszenie za pośrednictwem małych, unoszących się w powietrzu mikrokropelek (≤5 µm), które mogą podróżować dziesiątki metrów, z łatwością przemieszczając się po pomieszczeniu.

W 2004 r. zespół naukowców przeanalizował epidemię koronawirusa, wywołującego ciężką niewydolność systemu oddechowego (SARS-CoV-1) w środowisku mieszkalnym w Hongkongu. Korzystając z obliczeniowej dynamiki przepływu powietrza odkryli, że duża liczba przypadków była spowodowana rozprzestrzenianiem się małych mikrokropelek unoszących się w powietrzu. Ostatnio wiele badań nad przenoszeniem się obecnego koronawirusa (SARS-CoV-2) wykazało, że jest on przenoszony w ten sam sposób, wykazując ponad wszelką wątpliwość, że małe mikrokropelki unoszące się w powietrzu uwalniane podczas oddychania i mówienia mogą powodować rozprzestrzenianie się infekcji w zamkniętych środowiskach.

Przenoszenie wirusa można ograniczyć, zwiększając wentylację

Na szczęście tę drogę transmisji, podobnie jak stężenie CO₂, można łatwo zredukować, zwiększając wentylację. Niektóre budynki są wyposażone w systemy ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC), które mogą prowadzić wentylację mechaniczną. W przypadku budynków bez wentylacji mechanicznej, takich jak domy i restauracje, skuteczna może być również wentylacja naturalna poprzez otwieranie drzwi i okien, chociaż przepływ powietrza w tej sytuacji jest bardziej zależny od tego, jak bardzo mogą się otwierać okna, ich położenia czy zewnętrznych warunków pogodowych.

Projekt referencyjny monitora CO₂. Źródło: Sensirion AG

Chociaż poziom cząsteczek wirusowych w powietrzu nie jest niestety wykrywalny, jednak stosunkowo łatwo jest zmierzyć stężenie CO₂ za pomocą odpowiedniego czujnika. Z tego też względu, stosowanie poziomów CO₂ jako substytutu do monitorowania poziomu materiału zakaźnego w powietrzu może być skuteczne. Poziom CO₂ w powietrzu można traktować jako system ostrzegawczej ‘sygnalizacji świetlnej’: kolor zielony to stężenie od 400 do 1000 ppm CO₂ , co odpowiada zawartości tej substancji w powietrzu zewnętrznym. Kolor żółty oznaczałby przedział  1000-1600 ppm, w którym około 80% ludzi jest zadowolonych z postrzeganej jakości powietrza kolor czerwony sygnalizowałby stężenie ≥1600, oznaczające negatywny wpływ na zdrowie i samopoczucie człowieka. Na tym poziomie jakość powietrza jest uważana za złą, a ryzyko przeniesienia wirusa jest zwiększone.

Czujniki CO₂ mogą być używane jako substytut do pomiaru poziomu materiału zakaźnego

Sensirion to wiodący na świecie producent cyfrowych mikroczujników, oferujący między innymi dwa czujniki CO₂: SCD30 i SCD4x. Oba modele są wyposażone w technologię CMOSens, do bardzo dokładnych pomiarów CO₂ za pomocą detekcji w podczerwieni lub technologię PASens, opartą na zasadzie pomiaru fotoakustycznego (odpowiednio ±30 ppm i ±50 ppm). Aby umożliwić łatwą integrację z systemami HVAC przy stosunkowo niskich kosztach, czujniki te zachowują niewielkie rozmiary: dotyczy to zwłaszcza SCD4x, który mieści się w przestrzeni jednego centymetra sześciennego (10.1 x 10.1 x 6.5 mm). Systemy HVAC można następnie zaprogramować tak, aby zwiększały wentylację, gdy poziom CO₂ osiągnie 1000 ppm.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości formy Arrow