ทำให้มองเห็นในสิ่งที่มองไม่เห็น: เซนเซอร์ CO2 รุ่นถัดไปสามารถมีบทบาทสำคัญในชีวิตวิถีใหม่ได้อย่างไร

นับตั้งแต่ที่เกิดขึ้นในช่วงปลายปี 2562 โควิด-19 ก็ได้นำไปสู่การจำกัดการใช้ชีวิตประจำวันในหลายพื้นที่ในโลก ร้านอาหาร บาร์ โรงยิม และพื้นที่สาธารณะอื่นๆ หลายแห่งถูกปิดเป็นเวลานาน เพื่อจำกัดการแพร่กระจายของไวรัสและปกป้องสุขภาพของประชาชน

แม้จะมีความจำเป็น แต่มาตรการดังกล่าวจำกัดชีวิตประจำวันและการติดต่อทางสังคมของเราอย่างมาก การระบาดครั้งใหญ่ไม่ใช่ปรากฏการณ์ใหม่ มาตรการต่างๆ ที่ใช้ในการควบคุมการแพร่กระจายของโควิด-19 ก็ไม่ใช่เช่นเดียวกัน เช่น การล้างมือ การเว้นระยะห่างทางกายภาพ การสวมใส่หน้ากาก

ที่จริงแล้ว มาตรการเดียวกันนี้ยังได้รับการส่งเสริมในช่วงการระบาดครั้งใหญ่ของไข้หวัดใหญ่ในปี 2461 ในขณะที่ภาคการบริการและการพักผ่อนเปิดขึ้นอีกครั้ง นอกเหนือจากมาตรการดังกล่าวแล้ว จะสามารถลดการแพร่เชื้อไวรัสได้อย่างไร โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงฤดูใบไม้ร่วงและฤดูหนาวที่จะมาถึงนี้

โซลูชันหนึ่งที่ได้รับความสนใจมากขึ้นเรื่อยๆ คือ เซนเซอร์ตรวจวัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) เนื่องจากความเข้มข้นของ CO2 ทำหน้าที่เป็นตัววัดอากาศที่หายใจออก จึงเป็นตัวบ่งชี้ที่ดีของความเสี่ยงในการแพร่เชื้อในพื้นที่ปิด ซึ่งจะทำให้มองเห็นสิ่งที่มองไม่เห็นได้

ด้วยเหตุผลนี้ การตรวจวัด CO2 จึงนำมาใช้ในโรงเรียน สำนักงาน ร้านอาหาร และแม้แต่ในคอนเสิร์ต มีโซลูชันการตรวจัด CO2 มากมายในตลาด แต่ส่วนใหญ่จะมีขนาดใหญ่และมีราคาแพงหรือไม่แม่นยำ

โซลูชันการตรวจวัด CO2 ใหม่จาก Infineon สามารถเอาชนะข้อจำกัดเหล่านี้ได้ด้วยการใช้หลักการทางเทคโนโลยีที่สร้างความพลิกผัน XENSIV^TM PAS CO2 ปูทางสำหรับเซ็นเซอร์ CO2 รุ่นใหม่ ซึ่งทำให้ตลาดหลักสามารถเข้าถึงมาตรการด้านสาธารณสุขรูปแบบใหม่ได้ด้วยฟอร์มแฟกเตอร์ขนาดเล็กและความแม่นยำสูง

โรคติดเชื้อและโรคระบาดใหญ่ที่คุกคามมนุษย์มานานหลายศตวรรษนั้นไม่ใช่ปรากฏการณ์ใหม่ แม้ว่ามาตรการที่เก่าแก่ เช่น การล้างมือยังคงมีประสิทธิภาพสูงในการต่อสู้กับโรคติดเชื้อ แต่เทคโนโลยีและวิธีการต่างๆ ที่มีอยู่ในปัจจุบันจะสามารถช่วยในการพัฒนามาตรการที่ตรงเป้าหมายมากขึ้น

ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามหาปริมาณความเสี่ยงของการแพร่กระจายของโรคติดเชื้อในอากาศในพื้นที่ต่างๆ วิธีคลาสสิกวิธีหนึ่งคือสมการ Wells-Riley ซึ่งพัฒนาขึ้นในปี 1970 โดยนักวิทยาศาสตร์ที่กำลังศึกษาการระบาดของโรคหัดในโรงเรียนประถมศึกษาในนิวยอร์ก สมการนี้พยายามหาปริมาณความน่าจะเป็นของความเสี่ยงในการติดเชื้อ (P) โดยคำนึงถึงปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมที่สำคัญหลายประการ¹  ซึ่งสมการเป็นดังต่อไปนี้ 

P = 1 – e^–Iqpt/Q

โดยที่ I หมายถึง จำนวนผู้ติดเชื้อ p หมายถึง อัตราการหายใจของแต่ละคนต่อชั่วโมง (m³ /h) Q หมายถึง อัตราการระบายอากาศในห้อง (m³ /h) และ t คือ เวลารับสัมผัสเชื้อ (h) q คือ อัตราการสร้างควอนตัมที่ผลิตโดยผู้ติดเชื้อหนึ่งราย (h−1) โดยที่ควอนตัม หมายถึง ความแรงของแหล่งกำเนิดการติดเชื้อโดยเฉลี่ยของบุคคลที่ติดเชื้อ

เกือบ 30 ปีต่อมา Rudnick และ Milton นำสมการ Wells-Riley มาดัดแปลง คราวนี้ใช้ความเข้มข้นของ CO2 เป็นตัวแทนของการสัมผัสกับลมหายใจออกและจากนี้ไปจะใช้แทนสำหรับความเสี่ยงในการแพร่เชื้อ² วิธีการดังกล่าวสามารถเปิดใช้งานการตอบสนองต่อความเสี่ยงในการติดเชื้อแบบเรียลไทม์ด้วยการทำให้สิ่งที่มองไม่เห็นปรากฏให้เห็น

ในขณะที่มนุษย์พ่นลมหายใจ CO2 ออกมาทุกครั้งที่หายใจออก การวัดระดับ CO2 สามารถช่วยทำให้พื้นที่สาธารณะปลอดภัยยิ่งขึ้น มีการใช้ CO2 เป็นตัวบ่งชี้คุณภาพอากาศภายในอาคารตั้งแต่ศตวรรษที่ 19

ในปี 2401 Max von Pettenkofer นักสุขศาสตร์ชาวเยอรมัน ได้กำหนด CO2 1,000 ppm เป็นขีดจำกัดซึ่งไม่ควรเกินในพื้นที่ภายในอาคาร³

ค่านี้หรือที่เรียกว่าหมายเลข Pettenkofer ได้รวมอยู่ในมาตรฐานและแนวทางปฏิบัติส่วนใหญ่สำหรับมลพิษทางอากาศภายในอาคาร

ในช่วงเวลาที่เกิดโรคระบาด การตรวจวัดระดับ CO2 จะช่วยให้สามารถประเมินความเสี่ยงในการแพร่เชื้อโควิด-19 ได้อย่างน่าเชื่อถือ แม้ว่าในตอนแรกองค์การอนามัยโลก (WHO) จะงดการแพร่เชื้อโควิด-19 ทางอากาศ แต่ก็มีหลักฐานมากมายในปีที่ผ่านมาที่บ่งชี้ว่าโรคนี้แพร่กระจายไม่เพียงโดยละออง แต่ยังเกิดจากอนุภาคขนาดเล็กที่เป็นพาหะของไวรัสที่เรียกว่าละอองลอย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในพื้นที่ภายในอาคารที่แออัดและอากาศถ่ายเทไม่สะดวก

ในเดือนมีนาคมของปีนี้ องค์การอนามัยโลก (WHO) ได้เผยแพร่แผนงานโดยมีเป้าหมายเพื่อสร้างความมั่นใจในการระบายอากาศในพื้นที่ภายในอาคารที่มีมาตรฐานสูงในช่วงโควิด-19 โดยเน้นที่การเปลี่ยนแปลงในจุดยืนที่มีต่อการแพร่กระจายของละอองลอย⁴

ความรู้ที่เพิ่งค้นพบนี้มีนัยสำคัญสำหรับการเปิดพื้นที่สาธารณะภายในอาคารอีกครั้ง เช่น บาร์ ร้านอาหาร และโรงยิม เนื่องจากละอองลอยสามารถเดินทางได้ไกลกว่าและคงลอยอยู่ในอากาศได้นานกว่าละออง สภาพแวดล้อมภายในอาคารที่แออัดและระบายอากาศได้ไม่ดีจึงเป็นสถานที่ที่ผู้คนมักจะติดเชื้อได้มากที่สุด

ข่าวดีก็คือเซนเซอร์ CO2 สามารถมีส่วนช่วยในการประเมินว่าสภาพแวดล้อมมีความเสี่ยงเพียงใดในช่วงเวลาหนึ่งๆ ซึ่งช่วยให้สามารถดำเนินการเพื่อลดความเสี่ยงได้ การดำเนินการนี้อาจครอบคลุมตั้งแต่การปรับปรุงการระบายอากาศ โดยการเปิดหน้าต่างและประตู ไปจนถึงการเว้นพื้นที่ทั้งหมดหากความเข้มข้นของ CO2 เกินเกณฑ์ที่กำหนด

ด้วยความสามารถในการแจ้งเตือนเกี่ยวกับความเสี่ยงในการติดเชื้อแบบเรียลไทม์ จึงไม่น่าแปลกใจที่มีการนำเครื่องตรวจวัด CO2 มาใช้ในโรงเรียน ร้านอาหาร และพื้นที่สาธารณะอื่นๆ ที่หลากหลาย

ในคอนเสิร์ตที่โตเกียวเมื่อปีที่แล้ว แทนที่จะเป็นหน้าจอปกติที่แสดงภาพโคลสอัพของผู้แสดง ผู้เข้าร่วมสามารถดูระดับ CO2 ที่เปลี่ยนไปบนหน้าจอขนาดใหญ่ได้ นอกจากนี้ ยังรวมระบบสัญญาณเตือนแบบสีเอาไว้ด้วย โดยหากเป็นสีเขียว แสดงว่าความเข้มข้นของ CO2 ต่ำกว่าขีดจำกัด 1,000 ppm และความเสี่ยงของการแพร่กระจายของโควิด-19 ต่ำ เนื่องจากมีการระบายอากาศที่ดี

หากระดับ CO2 เกินขีดจำกัด หน้าจอจะกลายเป็นสีแดงและคอนเสิร์ตจะถูกเลื่อนออกไป⁵ ร้านอาหารและบาร์หลายแห่งยังเลือกที่จะตรวจวัดระดับ CO2 เพื่อปรับปรุงความปลอดภัยสำหรับลูกค้าและพนักงาน

รัฐบาลเบลเยี่ยมได้พัฒนาขึ้นไปอีกขั้นและกำหนดให้มีการแสดงจอภาพ CO2 ในพื้นที่สาธารณะ เช่น โรงแรม ร้านอาหาร และโรงยิม หากเครื่องตรวจวัด CO2 บันทึกความเข้มข้นที่สูงกว่า 900 ppm จะต้องดำเนินการเพื่อปรับปรุงการระบายอากาศ⁶

โรงเรียนต่างๆ ทั่วโลกต่างเข้าร่วมกลุ่มการตรวจวัด CO2 ด้วยความหวังว่าจะลดความเสี่ยงของการแพร่เชื้อไวรัสในห้องเรียน และในที่สุดก็สามารถเปิดชั้นเรียนแบบตัวต่อตัวได้ตามปกติอีกครั้ง

ในเดือนกันยายน 2563 ผู้ว่าการรัฐแคลิฟอร์เนียได้ลงนามผ่านร่างกฎหมายจากสมัชชาฉบับใหม่ ซึ่งก่อตั้ง “โครงการตรวจสอบและซ่อมแซมการระบายอากาศและประสิทธิภาพพลังงานสำหรับโรงเรียนที่เปิดใหม่อีกครั้ง”

นอกเหนือจากการให้การสนับสนุนทางการเงินแก่โรงเรียนในการปรับปรุงระบบระบายอากาศด้วยกลไกแล้ว ร่างกฎหมายดังกล่าวยังกำหนดให้ห้องเรียนทั้งหมดต้องติดตั้งเครื่องตรวจวัด CO2 ซึ่งจะแจ้งเตือนผู้ใช้ถึงการระบายอากาศที่ไม่ดีเมื่อระดับ CO2 เกิน 1,100 ppm⁷

ในไอร์แลนด์ รัฐบาลได้จัดหาเครื่องตรวจวัด CO2 หลายหมื่นเครื่องให้กับโรงเรียนเพื่อเตรียมพร้อมสำหรับการกลับสู่ห้องเรียนหลังวันหยุดภาคฤดูร้อน⁸ การติดตั้งเครื่องตรวจวัด CO2 ในพื้นที่สาธารณะจะเป็นประโยชน์สำหรับการควบคุมการแพร่กระจายของไวรัส ไม่เพียงแต่โควิด-19 แต่ยังรวมถึงเชื้อโรคที่ติดต่อทางอากาศอื่นๆ เช่น โรคไข้หวัด อีสุกอีใส และไข้หวัดใหญ่

รูปที่ 1 หน้าจอแสดงระดับ CO2 ที่คอนเสิร์ตในโตเกียว (แหล่งที่มาของรูปภาพ: https://www.asahi.com/ajw/articles/13832094) 

ไม่ว่าจะเป็นการประเมินความเสี่ยงของการติดเชื้อหรือการตรวจวัดคุณภาพอากาศภายในอาคารเพื่อการปรับปรุงความสบายและประสิทธิภาพการทำงาน ก็มีเซนเซอร์ CO2 ให้เลือกมากมาย เซนเซอร์ CO2 ที่มีจำหน่ายทั่วไปส่วนใหญ่จะใช้เทคโนโลยี NDIR (อินฟราเรดแบบไม่กระจายตัว) หรือไฟฟ้าเคมี

เซนเซอร์ NDIR มีความแม่นยำดีแต่มีขนาดใหญ่ ในขณะที่เซนเซอร์ไฟฟ้าเคมีมีขนาดกะทัดรัดแต่แม่นยำน้อยกว่า นอกจากนี้ยังมีเซนเซอร์ eCO2 ซึ่งมีขนาดเล็กแต่ตรวจวัดความเข้มข้นของ CO2 ด้วยการประมาณการเท่านั้น

ดังนั้นจึงขาดเครื่องมือวัดที่แม่นยำแต่มีขนาดกะทัดรัด โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานของผู้บริโภคที่ขนาดมักเป็นสิ่งสำคัญ อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีประเภทที่สี่ Photoacoustic Spectroscopy (PAS) พร้อมที่จะเปลี่ยนแปลงตลาดการตรวจวัด CO2 ด้วยการนำเสนอทั้งฟอร์มแฟกเตอร์ขนาดเล็กและความแม่นยำสูง เพื่อเอาชนะการเทรดออฟของเทคโนโลยีดังกล่าว

ตามที่ชื่อแนะนำ หลักการทำงานของ PAS นั้นเกี่ยวข้องกับทั้งแสงและเสียง ภายในห้องตรวจวัดขนาดเล็ก แสงอินฟราเรดผ่านตัวกรองสัญญาณแสงที่ปรับไปตามความยาวคลื่นการดูดกลืน CO2 (λ= 4.2 µm)

แสงที่กรองแล้วจะถูกดูดกลืนโดยโมเลกุลของ CO2 ซึ่งจะเต้นเป็นจังหวะตอบสนอง เครื่องตรวจวัดแรงสั่นสะเทือนที่มีความไวสูงจะวัดการตอบสนองนี้ และไมโครคอนโทรลเลอร์จะแปลงเอาต์พุตเป็นการอ่านค่าความเข้มข้นของ CO2 ในรูปแบบ ppm

มั่นใจได้ถึงระดับความแม่นยำสูงสุดด้วยการปรับเครื่องตรวจวัดแรงสั่นสะเทือนให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานความถี่ต่ำและแยกห้องดูดซับจากเสียงภายนอก นี่เป็นนวัตกรรมทางเทคโนโลยีใหม่ที่ Infineon นำมาใช้ประโยชน์ในโซลูชันการตรวจวัด CO2 แบบใหม่

รูปที่ 2 การทำงานของหลักการ PAS

การกำหนดเป้าหมายแอปพลิเคชันบ้านอัจฉริยะและอาคารอัจฉริยะตลอดจนอุปกรณ์สำหรับผู้บริโภค เซนเซอร์ CO2 ของ Infineon จะช่วยให้ทุกคนสามารถตรวจวัดคุณภาพอากาศภายในอาคารได้ตลอดเวลา

XENSIV^TM PAS CO2 ให้ผู้ใช้ประเมินความเสี่ยงในการติดเชื้อแบบเรียลไทม์ ทำให้พื้นที่สาธารณะ เช่น ร้านอาหาร โรงยิม และมหาวิทยาลัยสามารถเปิดได้อีกครั้งในลักษณะที่ปลอดภัยยิ่งขึ้น และเพื่อหลีกเลี่ยงการปิดเพิ่มเติมด้วยการทำให้มองเห็นสิ่งที่มองไม่เห็น

เซนเซอร์ CO2 ของ Infineon ได้รวมเข้ากับระบบเตือนภัย CO2 เฉพาะสำหรับสำนักงาน Infineon ซึ่งจะแจ้งเตือนพนักงานเมื่อระดับเกิน 800 ppm และอีกครั้งที่ 1,000 ppm นอกจากนี้ ยังได้รับการติดตั้งในห้องบรรยายที่มหาวิทยาลัย MCI อินส์บรุค เพื่อรองรับการเริ่มต้นการเรียนแบบตัวต่อตัวในชั้นเรียน⁹

เราอาจต้องอยู่กับเชื้อไวรัสโคโรน่าสักระยะหนึ่ง ซึ่งถือเป็นความจำเป็นอย่างเร่งด่วนในการพัฒนาโซลูชันทางเทคนิคที่ซับซ้อนมากขึ้นเพื่อปรับปรุงความปลอดภัยของพื้นที่สาธารณะ ในอนาคต เซนเซอร์ CO2 ที่ลื่นไหลและไม่เกะกะจะกลายเป็นคุณสมบัติมาตรฐานในบาร์ ร้านอาหาร สถานที่ทำงาน และโรงเรียนทุกแห่ง

นอกจากนี้ การตรวจวัดคุณภาพอากาศภายในอาคารอย่างต่อเนื่องมีความสำคัญไม่เพียงแต่เพื่อการแก้ปัญหาโควิด-19 และการระบาดครั้งใหญ่ในอนาคตเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการรับประกันระดับความสบายและความเป็นอยู่ที่ดีอีกด้วย กล่าวโดยสรุปคือ การติดตั้งเซนเซอร์ CO2 จำนวนมากเป็นอีกก้าวหนึ่งในการเดินทางสู่โลกที่มีสุขภาพดีขึ้นและฟื้นตัวจากการแพร่ระบาดครั้งใหญ่ได้อย่างรวดเร็ว

รูปที่ 3: หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับเซ็นเซอร์ XENSIV^TM PAS CO2 ของ Infineon โปรดไปที่ Infineon