Έρευνα του Νίκου Kλεισιώτη (*)
Έλεγχος ποιότητας αέρα ως μέσο μείωσης του κινδύνου μετάδοσης του Covid-19.
Το CO2 που εκπνέεται μαζί με τα αερολύματα που περιέχουν SARS-CoV-2 από άτομα μολυσμένα με Covid-19, μπορεί να ενοχοποιηθεί για τις συγκεντρώσεις του ιού SARS-CoV-2 σε εσωτερικούς χώρους. Οι μετρήσεις CO2 από αισθητήρες στον αέρα εσωτερικών χώρων, υπόσχονται την παρακολούθηση των αερολυμάτων εσωτερικού χώρου και συνεπώς βοηθούν στη μείωση του κινδύνου μετάδοσης του ιού Covid-19 και άλλων αναπνευστικών ασθενειών.
Περιγραφή του προβλήματος:
Ο αέρας που εισπνέουμε περιέχει 21% οξυγόνο (Ο2) και 0.04% διοξείδιο του άνθρακα (CO2). Ο αέρας που εκπνέουμε περιέχει 16% Ο2 και 4% CO2. Το CO2 που αποβάλλεται με την εκπνοή δεν είναι σταθερό. Το ποσoστό αποβολής του εξαρτάται από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, την τροφή, τη σωματική άσκηση. Οι άνδρες π.χ. που εκτελούν συχνά μυϊκές εργασίες έχουν πιο έντονες καύσεις από τις γυναίκες και αποβάλλουν περισσότερο CO2. Στις γυναίκες το CO2 είναι αυξημένο κατά την εγκυμοσύνη και κατά την εμμηνορρυσία.
Οι άνθρωποι περνούν σχεδόν το 90% του χρόνου τους σε εσωτερικούς χώρους, ενώ οι συγκεντρώσεις ορισμένων ρύπων σε εσωτερικούς χώρους είναι συχνά 2 έως 5 φορές υψηλότερες από τις συγκεντρώσεις σε εξωτερικούς χώρους (1). Όσο υψηλότερη είναι η τιμή CO2 σε ένα κτίριο, τόσο πιο δυσάρεστη γίνεται και η παραμονή μας εκεί. Σε δωμάτια με χαμηλό αερισμό, η συγκέντρωση CO2 αυξάνεται γρήγορα. Για παράδειγμα, σε χώρο περίπου 4 m2 που καταλαμβάνεται από ένα μόνο άτομο, η τιμή CO2 αυξάνεται από 500 ppm (0,05%) σε περισσότερα από 1.000 ppm (0,1%) σε μόλις 45 λεπτά. Σε αυτό το επίπεδο, το άοσμο και άχρωμο αέριο μπορεί να προκαλέσει πονοκεφάλους, υπνηλία και κακή συγκέντρωση, με αποτέλεσμα συχνά μειωμένη παραγωγικότητα. Από 2.000 ppm και πάνω (0,2%), επηρεάζονται ακόμη και οι γνωστικές ικανότητες των ανθρώπων και σε υψηλότερα επίπεδα υπάρχει σημαντικός κίνδυνος για την υγεία.
Το διοξείδιο του άνθρακα σε εσωτερικούς χώρους προέρχεται από τον εκπνεόμενο αέρα των παρευρισκομένων. Κάθε άτομο εκπνέει περίπου 8 -10 λίτρα αέρα ανά λεπτό, ο οποίος ήταν σε στενή επαφή με τον πνευμονικό ιστό. Ο εκπνεόμενος αέρας περιέχει CO2 (4% = 40.000 ppm) και μικροσκοπικά σταγονίδια υγρού (αερολύματα) τα οποία, λόγω του μεγέθους τους, μπορούν να επιπλέουν στον αέρα για μεγάλο χρονικό διάστημα. Εάν κάποιος εργαζόμενος, επισκέπτης ή κάτοικος είναι μολυσμένος με τον ιό, αυτά τα σταγονίδια θα περιέχουν επίσης σωματίδια ιού. Με ταχύτητες βύθισης αερολύματος λίγων μέτρων ανά ώρα και μείωση της δραστηριότητας μόλυνσης από βιολογικό ιό με χρόνο ζωής περίπου 2,7 ώρες, ο αέρας του δωματίου παραμένει μολυσμένος για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα.
Στην εργασία «Μετάδοση αερολύματος SARS-CoV-2» (2), αρκετοί ερευνητές υποστηρίζουν ότι οι εσωτερικοί χώροι με ανεπαρκή ή καθόλου αερισμό, μπορούν να αυξήσουν την πιθανότητα μετάδοσης αερολύματος του Covid-19. Εάν ένα υγιές άτομο εισπνεύσει αυτά τα μολυσμένα σταγονίδια και εάν ο αριθμός των σωματιδίων του ιού που περιέχουν υπερβαίνει την ελάχιστη μολυσματική δόση, η ασθένεια μεταδίδεται.
Πάνω από 200 επιστήμονες ζήτησαν πρόσφατα από τον Παγκόσμιο Οργανισμό Υγείας να λάβει πιο σοβαρά τις αερομεταφερόμενες οδούς μεταφοράς για το SARS-CoV-2 (Morawska & Milton, 2020).
Η λύση
Η μέτρηση CO2 προσφέρει μια γρήγορη, εύκολη και οικονομική λύση για την ενημέρωση του τρέχοντος κινδύνου από δυνητικά μολυσματικά αερολύματα. Φυσικά, θα ήταν δυνατή η μέτρηση των αερολυμάτων στον αέρα και ο ηχητικός συναγερμός, εάν οι τιμές τους ήταν υπερβολικά υψηλές. Αλλά τέτοιες συσκευές μέτρησης είναι δυσπρόσιτες, περίπλοκες και πολύ ακριβές. Από την άλλη πλευρά, υπάρχει η δυνατότητα να διενεργηθούν μετρήσεις που μπορούν να προειδοποιήσουν για υψηλές συγκεντρώσεις CO2 στον αέρα και επομένως επίσης για υψηλά επίπεδα αερολυμάτων. Αυτά θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να προστατεύσουν από έναν πιθανό αυξημένο κίνδυνο μόλυνσης με κοροναϊό.
Μια μελέτη που πραγματοποιήθηκε από το Πολυτεχνείο του Βερολίνου(3) (TU Berlin) , αποκάλυψε ότι το κλίμα εσωτερικού χώρου παίζει βασικό ρόλο στην προστασία της υγείας, καθώς τα παθογόνα παραμένουν στα δωμάτια για ώρες, κάτω από φυσιολογικές τιμές ανταλλαγής αέρα, σε κτίρια κατοικιών και γραφείων. Ο ρυθμός καταβύθισης και η διαδικασία ανανέωσης αέρα απαιτούν πολύ χρόνο. Ως εκ τούτου, συνιστάται αύξηση της παροχής καθαρού αέρα. Για την παρακολούθηση και τον έλεγχο της ποιότητας του αέρα, υπάρχουν λύσεις που προσφέρονται από εξειδικευμένες εταιρείες με καινοτόμους αισθητήρες CO2 που βασίζονται σε τεχνολογία φωτοακουστικής φασματοσκοπίας (PAS). Αυτές μπορούν να βελτιστοποιήσουν την ποιότητα του αέρα στα δωμάτια για πιο υγιείς και παραγωγικές συνθήκες διαβίωσης και εργασίας στο εσωτερικό.
Εάν βρισκόμαστε σε ένα δωμάτιο που υπάρχουν και αλλά άτομα, η μέτρηση της συγκέντρωσης CO2 παρέχει μια ένδειξη του ποσοστού του αέρα που εισπνέουμε που αποτελείται από αέρα που έχουν ήδη εκπνεύσει οι υπόλοιποι. Το ισοζύγιο μάζας σε μια μετρούμενη συγκέντρωση CO2 περίπου 1200 ppm (μέρη ανά εκατομμύριο) σημαίνει ότι σχεδόν το 2% του αέρα στο δωμάτιο είχε ήδη επαφή με τους πνεύμονες τουλάχιστον μία φορά. Είναι σαφές ότι κάθε 50 αναπνοές που παίρνει ένα άτομο σε αυτό το δωμάτιο, αποτελείται από αέρα που έχει ήδη εκπνεύσει. Η εκτίμηση του κινδύνου μόλυνσης από τον covid, είναι σαφές ότι εξαρτάται από διάφορους παράγοντες που επί του παρόντος εξακολουθούν να διερευνούνται εντατικά. Ένας παράγοντας κινδύνου είναι σίγουρα ο αριθμός των ατόμων που υπάρχουν στο ίδιο δωμάτιο, η τοπική ένταση της πανδημίας και η ροή του αέρα. Εάν κανένα από τα άτομα στο δωμάτιο δεν έχει μολυνθεί, δεν υπάρχει κίνδυνος μόλυνσης ακόμη και σε υψηλές συγκεντρώσεις.
Πώς να αποτρέψετε τον κίνδυνο μόλυνσης;
Από τις προκαταρκτικές εκτιμήσεις, ωστόσο, γίνεται σαφές ότι ο καλός αερισμός των δωματίων μειώνει τον κίνδυνο. Ανεξάρτητα από αυτό, ο αυτόματος μηχανικός κλιματισμός προωθεί επίσης την ικανότητα συγκέντρωσης. Όταν λοιπόν συγκεντρώνεται μια μεγαλύτερη ομάδα ατόμων σε ένα κλειστό χώρο, πρέπει να εξασφαλίζεται καλός εξαερισμός. Κατά συνέπεια, μια συγκέντρωση έως 1000 ppm είναι ακίνδυνη. Έχει παρατηρηθεί από ερευνητές ότι συγκεντρώσεις πάνω από 1000 ppm δημιουργούν προβλήματα πονοκεφάλων – υπνηλίας – απώλειας συγκέντρωσης κ.λπ. ενώ σε μεγαλύτερες συγκεντρώσεις παρατηρείται επίσης και αύξηση του ρυθμού της καρδιοαναπνευστικής λειτουργίας.
Το CO2 είναι επίσης ένας σημαντικός δείκτης σχετικά με την πρόληψη στα σχολεία. Η ομάδα εργασίας εξαερισμού UBA συνιστά τη χρήση φανών CO2 για τον σκοπό αυτό. Ο γερμανικός ασφαλιστικός φορέας ατυχημάτων (DGVU) προχωρά ακόμη περισσότερο και υποστηρίζει μια τιμή στόχου 700 ppm στις τάξεις σε περιόδους επιδημίας. Τα τελευταία ευρήματα συνοψίζονται στον οδηγό UBA “Εξαερισμός στα σχολεία” (15.10.20), που δημιουργήθηκε για τη Διάσκεψη του Υπουργείου Πολιτισμού της Γερμανίας (ΚMK).
| Συγκέντρωση CO2 στον αέρα εσωτερικών χώρων | |
| 2200έως 2600 | Απαράδεκτη |
| 2000 έως 2200 | Πολύ φτωχή |
| 1600 έως 2000 | Φτωχή |
| 1400 έως 1600 | Ελλιπής σε εξαερισμό |
| 1200 έως 1400 | Οριακή |
| 800 έως 1000 | Ιδανική |
Ο εξαερισμός σημαίνει όχι μόνο ανταλλαγή αέρα, αλλά και απώλεια θερμότητας τον χειμώνα. Μια βιώσιμη στρατηγική θα πρέπει επίσης να λαμβάνει υπόψη αυτό το αποτέλεσμα. Εάν, όπως και στα περισσότερα σχολεία, γραφεία ή χώρους συνωστισμού δεν υπάρχει σύγχρονο σύστημα κλιματισμού με εναλλάκτη θερμότητας, τότε μόνο η παρακολούθηση CO2 και ο τακτικός χειροκίνητος εξαερισμός βοηθούν.
Αισθητήρες CO2 με βάση τη φωτοακουστική φασματοσκοπία.
Χάρη στην εμπειρία και την τεχνολογία MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems), έχει αναπτυχθεί ένας νέος αισθητήρας CO2 με βάση τη φωτοακουστική φασματοσκοπία -PAS ( photo-acoustic spectroscopy)
Η μέθοδος PAS βασίζεται στο φωτοακουστικό εφέ που ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά από τον Alexander Graham Bell το 1880. Η μέθοδος εκμεταλλεύεται το γεγονός ότι τα μόρια αερίου απορροφούν φως με μόνο συγκεκριμένο μήκος κύματος. Στην περίπτωση του CO2, για παράδειγμα, το μήκος κύματος είναι 4,2 μm. Σε ταχεία διαδοχή, το φως -δηλαδή η ενέργεια- τροφοδοτείται στο αέριο ακριβώς σε αυτό το μήκος κύματος μέσω μιας υπέρυθρης πηγής με ένα οπτικό φίλτρο. Λόγω της ταχείας θέρμανσης και ψύξης, αυτό οδηγεί, με τη σειρά του, σε θερμική διαστολή και συστολή, δημιουργώντας έναν ήχο που μπορεί να καταγραφεί από έναν ακουστικό ανιχνευτή βελτιστοποιημένο για χαμηλές συχνότητες. Το σήμα στη συνέχεια αξιολογείται και χρησιμοποιείται για την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την ποσότητα CO2 στο αέριο. Όσο ισχυρότερο είναι το σήμα, τόσο υψηλότερη είναι η συγκέντρωση CO2. Η εξαιρετικά ευαίσθητη ακουστική συσκευή MEMS, η οποία λειτουργεί ως αισθητήρας πίεσης, χρησιμοποιείται ως ανιχνευτής. (4)
Ο αισθητήρας CO2 ενσωματώνει έναν φωτοακουστικό μορφομετατροπέα με έναν ανιχνευτή, μια πηγή υπερύθρων και ένα οπτικό φίλτρο σε μία μικρή πλακέτα τυπωµένου κυκλώµατος PCB (Printed Circuit Board).
Αναφορές:
(1) EPA-Οργανισμός Προστασίας του Περιβάλλοντος /1989. Αναφορά στο Κογκρέσο σχετικά με την ποιότητα του αέρα εσωτερικού χώρου: Τόμος 2. EPA / 400 / 1-89 / 001C. Ουάσιγκτον DC
(2) Li,Υ.,Et al. Μετάδοση αερολύματος SARS-CoV-2. medRxiv.
(3) Χάρτμαν, Α; Kriegel, M. Εκτίμηση κινδύνου αερολυμάτων με ιικό φορτίο με βάση τη συγκέντρωση CO2. Technische Universität Berlin.
(4) DOE, U. (2015). Κεφάλαιο 5: Αύξηση της αποδοτικότητας των δομικών συστημάτων και των τεχνολογιών. Τετραετής ανασκόπηση τεχνολογίας : Μια αξιολόγηση των ενεργειακών τεχνολογιών και των ερευνητικών ευκαιριών, 143–181.
(*) Ο Νίκος Κλεισιώτης είναι Διπλ. Ηλεκτρολόγος Μηχανικός, ιδρυτής και επιστημονικός υπεύθυνος της Ελληνογερμανικής Διαχείρισης Αποβλήτων (SUK), πιστοποιημένος Eπιθεωρητής Αποβλήτων της Ομοσπονδιακής Ένωσης Εμπειρογνωμόνων και Αξιολογητών, επικεφαλής της ADAO Greece (Οργανισμός Ευαισθητοποίησης Ασθενειών Αμιάντου), Γενικός Δ/ντής της SAFETY KLEEN.
