Щит для чистого дыхания

Конечно, проблема качества воздуха заботила человечество с давних времен. Дым лесных пожаров, вулканические газы, пылевые бури – всё это доставляло сильные страдания нашим предкам, но серьезных средств для защиты органов дыхания до поры до времени изобретено не было. А в XVIII веке началась промышленная революция, главным топливом которой стал уголь. Зачадили трубы, выбрасывая в небо не только газообразные продукты сгорания, но и мелкодисперсную золу, попадающую в легкие.

Экологические последствия наступления эры паровых были осознаны не сразу, но уже в XIX веке появились первые попытки защитить органы дыхания от дыма. В начале 1820-х англичанин Джон Дин вошел в горящую конюшню во взятом невесть откуда рыцарском шлеме, в который с помощью водяной помпы и пожарного шланга накачивался воздух. Спасатель не задохнулся, кони остались живы, а Джон с братом Чарльзом продолжили работу над «дымовым шлемом», который впоследствии стал еще и прототипом шлема водолазного скафандра.

Вдохновившись идеями братьев Динов, британский химик Джон Стенхауз добавил к маске фильтр из древесного угля – первый в истории фильтр для очистки воздуха. Благодаря пористости и химическим свойствам уголь удерживал в себе множество вредных частиц. В 1915 г. русский химик Николай Зелинский изобрел активированный уголь – вещество с огромным количеством пор, прекрасно исполняющий роль сорбента – поглотителя разных веществ, в том числе из воздуха. В сочетании с облегающей лицо резиновой маской фильтр из активированного угля стал тем, что мы называем противогазом.

Побочным продуктом развития американского атомного проекта стало изобретение в США HEPA-фильтра. Это произошло в 1940 г. В названии – английская аббревиатура, которая, будучи расшифрованной, может переводиться как «высокоэффективный фильтр против микрочастиц». Он представляет собой сложно организованные тончайшие волокна. Его отличительная черта – способность задерживать частицы, физические размеры которых даже меньше, чем расстояния между волокнами. Это возможно благодаря таким физическим явлениям, как инерция, диффузия, зацепление. Фильтры HEPA, как уже говорилось, были созданы в рамках атомного проекта для фильтрации воздуха от радиоактивной пыли и защиты работников, имевших дело с расщепляющимися материалами.

Однако эти системы также оказались эффективными против других видов загрязнений – пыльцы, золы, перхоти животных, плесени и т. п. Поначалу очень громоздкие и дорогие фильтры HEPA могли использоваться лишь в промышленных установках. С развитием технологии изобретение пришло в повседневную жизнь. Теперь такие фильтры работают в бытовых кондиционерах и пылесосах. А первую домашнюю установку для очистки воздуха на базе HEPA-технологии продали в Германии братья Манфред и Клаус Хаммес в 1963 г.

Как мы видим из истории, средства защиты дыхания разрабатывались сначала для специального применения, но затем получали широкое распространение в быту, потому что угрозы, которые несет в себе грязный воздух, содержащиеся в нем газы и микрочастицы, представляют опасность для всех и для каждого.

Слово ведущему научному сотруднику Института медико-биологических проблем РАН Светлане Поддубко:

По роду своей научной деятельности я занималась и занимаюсь проблемами очистки воздуха, причем в необычных условиях – на борту МКС. Поверьте, даже там, где, казалось бы, должна царить идеальная чистота, требуется применение самых современных технологий, чтобы очистить местную атмосферу от нежелательных примесей. Что касается загрязнения воздуха в наших городах, то эта угроза носит многофакторный характер. В воздухе присутствуют не всегда безопасные для человека объекты органического происхождения: бактерии, микроскопические грибы, вирусы, пыльца, которая для многих становится источником аллергии. Немалую угрозу представляют оксиды азота, так называемые NO_X. Они формируются из азота и кислорода под действием высоких температур – то есть, в основном, в камерах сгорания двигателей автомобилей и летательных аппаратов. NO_X весьма опасны для органов дыхания. В атмосфере могут присутствовать и другие токсичные газы.

Отдельную проблему представляют собой так называемые мелкодисперсные частицы. Обычно их классифицируют по размерам, и чаще всего речь идет о частицах размером порядка 2,5 мкм (PM2.5) и порядка 10 мкм (PM10). Источников их возникновения множество: это и мельчайшие капельки кислоты, получившиеся от взаимодействия дымных выхлопов с парами воды в атмосфере, и твердые остатки несгоревшего топлива, и просто трение всего обо всё, например резиновых протекторов об асфальт.

Как мы видим, даже полный отказ от ДВС и дымных выхлопов не избавит нас от токсичных взвесей и аэрозолей. От них надо защищаться. Главная опасность заключается в их способности долго оставаться «на лету» и проникать глубоко в органы дыхания, вызывая аллергии, раздражения с последующим инфицированием, необратимые процессы в клетках, а то и более серьезные заболевания.

В развивающихся странах, особенно в тех, которые взяли курс на ускоренное промышленное развитие (в том числе с использованием угля в качестве топлива), экология приносится в жертву экономической эффективности и ситуация с чистотой воздуха близка к катастрофической. В крупных городах КНР непременным атрибутом номера в фешенебельном отеле является противогаз или респиратор на случай особенно густого смога, а свободным от смога небо там не бывает практически никогда. Состояние воздуха в разных частях планеты оценивается по шкале индекса AQI (Air Quality Index) и за его показателями можно проследить на специальном сайте.

Стоит заметить, что в лидерах антирейтинга немало городов Китая, Индии, Ирана, но высокое заражение атмосферы вредными примесями, особенно микрочастицами PM2.5 и PM10, демонстрируют порой и города Европы.

В России ситуация с загрязнением воздуха в целом неплохая (возможно, сказалось закрытие в постсоветский период большого количества предприятий, которые не имели качественных систем очистки выбросов), однако в числе лидеров со знаком минус – города Южной Сибири, особенно Красноярск.

Развитые страны давно взяли курс на чистый воздух. Происходит повсеместный отказ от угля как топлива, а там, где он еще используются (например, в Германии), для очистки дымовых газов устанавливаются современные фильтры, основанные на разных физических принципах. В России на ТЭЦ широко распространены электрофильтры, в которых под воздействием электрического поля заряженные твердые частицы осаждаются на электрод и стряхиваются в специальный бункер.

Введены жесткие нормы для двигателей внутреннего сгорания, они регулируются региональными нормативами типа ныне действующего Евро-6. Для достижения установленных показателей требуется не только вносить соответствующие изменения в конструкцию автомобиля (в частности, в каталитический нейтрализатор, или фильтр твердых частиц), но и использовать специальное топливо с высоким октановым числом и с пониженным содержанием серы и других вредных примесей.

Однако, как мы видим, даже в самых благополучных в экологическом отношении странах с самыми строгими нормативами по промышленным и транспортным выбросам сделать воздух полностью безопасным пока не удается. Поэтому средства очистки воздуха для индивидуального жилья и личного автомобиля в ближайшем будущем не потеряют актуальности.

«Давно прошли те времена, когда для защиты дыхания применялись всего лишь угольные фильтры, – говорит Светлана Поддубко. – Сейчас любая качественная система, чистящая воздух, как правило, состоит из нескольких ступеней, в нее включаются фильтры механической очистки, например HEPA, а также камеры инактивации, в которых частицы отфильтровываются или дезактивируются с помощью электростатики. На выходе может стоять еще один фильтр тонкой очистки, который задержит уже часть ультрадисперсных частиц, например фрагменты уничтоженных живых клеток».

Примером комплексного подхода к охране чистоты человеческого дыхания можно назвать систему CleanZone, разработанную автомобильным концерном Volvo. Система не только включает в себя инструментарий борьбы со всеми факторами загрязнения воздуха, но также имеет в своей основе интеллектуальный компонент, позволяющий анализировать в реальном времени состав воздуха внутри салона автомобиля. В комплекс CleanZone входит усовершенствованная технология очистки воздуха Advanced Air Cleaner, которая дополнительно устанавливается на автомобилях Volvo 2021-го модельного года (доступны с мая 2020 г.). Ее аналитическая часть — оптический датчик, измеряющий количество взвешенных в воздухе микрочастиц PM2.5.

Рабочий элемент – высокоэффективная фильтрующая часть. Попадающие в нее частицы ионизируются, а затем проходят через высокотехнологичный мультифильтр, в котором задерживаются в результате как механических, так и электростатических процессов. Таким образом воздух очищается от микрочастиц на 95%, что выше норматива, установленного для созданной Volvo ранее интеллектуальной системы IAQS (70% частиц). Аналогов такой системы очистки воздуха для автомобиля на данный момент не существует. Данные о качестве воздуха в салоне выводятся в мобильное приложение Volvo On Call, а также на бортовой дисплей Sensus.

Мы все понимаем, что автомобиль, даже самый современный, – это не космический корабль с собственным запасом кислорода на борту. Кислород, который вдыхают водитель и пассажиры, необходимо регулярно замещать свежим притоком O₂. Простейший способ – открыть окно и дышать ровно тем, что поступает с улицы, но... предположим, мы стоим в пробке на загазованном проспекте, проезжаем в окрестностях химического предприятия или животноводческой фермы. Стоит ли тогда дышать тем, что дует из окна?

Ответ на вопрос берет на себя интеллектуальная система оценки чистоты воздуха Advanced Air Cleaner. Благодаря сенсорам система оценивает качество воздуха снаружи и задает программу его очистки от твердых микрочастиц, NO_X–ов и даже просто от неприятных запахов. Если же система оценивает состояние окружающей атмосферы как слишком загрязненное, она просто временно блокирует приток из-за борта и отправляет на рециркуляцию воздух, уже находящийся в салоне. Независимо от того, что происходит снаружи, воздух внутри остается чистым при плотно закрытых окнах.

Давно уже существуют системы дистанционного запуска мотора и прогрева салона автомобиля, что дает возможность даже в сырую или морозную погоду начинать движение в комфортных условиях. Но когда на улице жарко, автомобилисты встречаются с другой проблемой. В постоявшей под лучами солнца машине возникает парниковый эффект, а это не только жара и духота в салоне, но и испарения резины и пластика, которые имеют неприятный запах и сами по себе не очень полезны для здоровья. В новых автомобилях Volvo с помощью смартфона (приложение Volvo On Call) или дистанционного ключа разблокировки дверей можно запустить предварительное кондиционирование воздуха в салоне с вентиляцией и удалением всех скопившихся вредных примесей.

В условиях современного большого города нашему дыханию требуется защита – это абсолютный факт. Для дома созданы продвинутые системы кондиционирования и приточной вентиляции с эффективными устройствами фильтрации воздуха, в том числе электростатической. И, наконец, представляется логичным, что подобные же устройства должны работать в современном автомобиле, который для многих является вторым домом.

«Какой бы активной ни была борьба за сокращение вредных выбросов предприятий, – говорит Светлана Поддубко, – индивидуальная защита, обеспечение чистоты воздуха в замкнутых помещениях, будь то космический корабль или салон автомобиля, еще долго будут предметом научных и конструкторских разработок, а их результаты воплотятся в технологиях. Очевидно, что система Advanced Air Cleaner как раз являет собой комплекс самых современных методов борьбы с опасными загрязнениями, построенных на научных достижениях последних десятилетий и дня сегодняшнего».