Powietrze na ocenę, czyli jak chronić przed wirusami dzieci w szkole

Powrót do szkół wywoływał do tej pory u wielu uczniów i ich rodziców lęk przed nasileniem alergii. Zalegający w salach lekcyjnych kurz wydawał się do niedawna jedynym wyzwaniem dla osób utrzymujących czystość, jednak Covid-19 uświadomił, jak ważna w pomieszczeniach zamkniętych jest również jakość powietrza. Bez nowoczesnych systemów wentylacyjnych szkoły pozostaną wylęgarnią rozmaitych infekcji, za które już tej jesieni będą odpowiadać kolejne warianty koronawirusów czy grypy.

– To nie tylko kwestia zdrowia, ale też lepszych wyników w nauce – mówi prof. Paweł Wargocki, który w Technical University of Denmark (DTU) zajmuje się badaniami jakości powietrza, łącząc swoją wiedzę techniczną i chemiczną z biologią, a nawet psychologią. – Wyniki naszych badań wykazały, że poprawa wentylacji wykazana przez obniżenie stężenia CO2 zwiększyłaby szybkość rozwiązywania zadań matematycznych i językowych o 12 proc., a o 2 proc. spadłaby liczba popełnianych błędów. Wyniki testów i sprawdzianów poprawiłyby się o 5 proc.

Dwutlenek węgla (CO2) jest wskaźnikiem efektywności wentylacji i jakości powietrza, bo choć sam nie wpływa na samopoczucie, to wraz z nim – jeśli w klasie panuje zaduch – rosną poziomy innych związków, które taki wpływ już mieć mogą. To np. formaldehyd, tlenki azotu i masa innych, emitowanych przez materiały budowlane lub wyposażenie, choćby wykładziny i lakierowane meble. Nawet jeśli poziom takich substancji nie będzie wysoki, często wchodzą ze sobą w reakcje, przekształcając się w nowe związki, o większej szkodliwości. – Oznaczanie ich w mieszaninie powietrza jest trudne i kosztowne, dlatego półśrodkiem jest używanie w klasach czujników koncentracji CO2, sygnalizujących, że warto – przy braku wentylacji – otworzyć okna – mówi prof. Wargocki. Zastrzega jednak, że nie jest to idealne wyjście, bo jeśli szkoła znajduje się w centrum miasta przy ruchliwej ulicy, naturalne wietrzenie wprowadzi do środka niebezpieczne pyły i składniki spalin. Ich codzienny monitoring dobrze się sprawdza przy ocenie zagrożenia. Ale czy dyrekcje szkół korzystają z danych, które przekazują miejskie stacje mierzące poziom zanieczyszczeń powietrza, i odpowiednio na nie reagują?

Oczyszczacz: trójka za niedokładność

W duńskich szkołach to już niemal powszechna praktyka, ale nie w Polsce. – Znam kilka, gdzie detektory stężenia CO2 stosuje się na co dzień, ale wiąże się to z ogromnym stresem dla użytkowników, bo czerwony alarm niemal stale wzywa do otwarcia okien – mówi dr inż. Jerzy Sowa z Politechniki Warszawskiej, od ponad 20 lat zajmujący się jakością powietrza m.in. w placówkach oświatowych.

Czujniki dwutlenku węgla to dość proste systemy wizualizacyjne, więc są łatwe do obsługi nawet przez najmłodsze dzieci: zielona lampka informuje, że wszystko jest OK, żółta – warto uchylić okno, a czerwona – trzeba wyjść z sali i dobrze ją przewietrzyć. Użytkowanie czujnika, który co chwilę zapala się w tym ostatnim kolorze, pozostawia jednak nauczycielom trudny wybór: albo przerwać prowadzenie lekcji, bo dzieci powinny opuścić klasę, albo przekonywać uczniów do lekceważenia wskaźnika. – Nie byłoby tego problemu, gdyby sale lekcyjne miały właściwą wentylację – dodaje dr Sowa. Ale to marzenie ściętej głowy.

Większość szkół wybudowano 60 lat temu dla uczczenia Tysiąclecia Państwa Polskiego (tzw. „tysiąclatki”). W ostatnich latach doczekały się remontów i termomodernizacji, ale to akurat pogorszyło warunki klimatu w ich murach zamiast je polepszyć. – Clou jest takie, że w latach 60. XX w. ograniczano się do nieefektywnej wentylacji grawitacyjnej, czyli powietrze napływało do środka przez nieszczelne okna, ogrzewane było przez system centralnego ogrzewania i przepływało dalej przez kratki w ścianach i kanałami wentylacyjnymi wędrowało ponad dach – tłumaczy inż. Sowa. – Po ociepleniu budynków i wymianie okien na szczelne, przepływ powietrza przez sale lekcyjne został silnie ograniczony.

Zarządcy szkół (najczęściej lokalne samorządy) nie mają funduszy na instalację nowoczesnych systemów wentylacyjnych. To wydatek kilkudziesięciu tysięcy złotych dla jednej klasy (w NCBR trwa obecnie konkurs na zaprojektowanie polskich, być może tańszych, urządzeń). Podczas pandemii – kiedy uczniowie musieli wrócić do stacjonarnej nauki – wielu dyrektorów zdecydowało się więc na zakup oczyszczaczy (usuwają one z powietrza cząstki stałe, a w przypadku wirusów mogą je niszczyć przy pomocy promieni UV). – Kiedy w trakcie ulewy przecieka sufit, to można podstawić wiadro, ale trzeba w końcu naprawić dach – komentuje prof. Wargocki. – Oczyszczacze powietrza są jak te wiadra. Doraźnie poprawią sytuację, ale po pierwsze muszą być właściwie użytkowane, a po drugie, w przeciwieństwie do dobrej wentylacji filtracja powietrza, nie zmniejszają koncentracji szkodliwych związków lotnych.

Według inż. Sowy takie aparaty mogą być użyteczne w pokoju dziecka z alergią, ale nie w kilkakrotnie większej sali lekcyjnej, gdzie przebywa 25–30 uczniów. To powinno być wtedy dużo większe urządzenie niż model mieszkaniowy, a właśnie takie na ogół trafiają do placówek edukacyjnych. I nie sprawdzą się w nowym roku szkolnym, bo choć nie należy spodziewać się tak wysokiej fali zakażeń jak w minionych latach, ryzyko rozprzestrzeniania „jesienno-zimowych” wirusów wcale nie będzie mniejsze.

Czujnik: jedynka za hałas

Jak temu zapobiec? Nad tym głowią się nauczyciele i naukowcy na całym świecie. Choć można by sądzić, że w krajach, w których sprawy zdrowia stawiane są na szczycie hierarchii społecznych potrzeb, wyczulenie na lepszą jakość powietrza w salach lekcyjnych jest dużo większe niż w Polsce, wszędzie pokutuje mylne przeświadczenie, że samo otwarcie okien rozwiązuje problem. – W Danii rusza obecnie pilotażowy projekt, wart 2 mln koron (ok. 1,5 mln zł), który dzięki współpracy różnych gałęzi nauki ma wykazać, jak ograniczać ryzyko infekcji w szkołach – mówi prof. Wargocki.

Z kolei prof. Lidia Morawska, która w Queensland University of Technology w Brisbane kieruje Międzynarodowym Laboratorium Jakości Powietrza i Zdrowia (ta pochodząca z Polski uczona otrzymała w czerwcu prestiżową nagrodę „For Women in Science”, przyznawaną przez L’Oréal i UNESCO) dziwi się, że również w Australii decydentom trudno przestać akceptować ryzyko narażania dzieci w szkole na zakażenia, których można by uniknąć: – Powinniśmy lepiej projektować przepływ powietrza w budynkach i za pomocą czujników mierzyć jego jakość.

Jej zespół już włączył się do opracowania metod wykrywania patogenów w czasie rzeczywistym. – To nowa dziedzina, szybko rozwijająca się wskutek doświadczeń pandemii koronawirusa – mówi prof. Morawska. Do tej pory nie było to możliwe. Naukowcy dokonywali takich pomiarów w warunkach jedynie laboratoryjnych. Gdyby chcieli to zrobić wewnątrz szkół, musieliby z wyprzedzeniem wiedzieć, gdzie wystąpi infekcja, zainstalować tam aparaturę, pobrać próbki i przenieść je do pracowni wyspecjalizowanej w tego rodzaju analizach. – Ale są już prototypy tanich czujników do wykrywania i monitorowania stężeń wirusów na bieżąco.

Jeden z nich przedstawili w połowie lipca na łamach „Nature Communications” naukowcy z Washington University w St. Louis. W ciągu kilku minut będzie wykrywać obecność w pomieszczeniu najczęstszych wirusów układu oddechowego: grypy, rhinowirusów, RSV (tzw. syncytialny wirus oddechowy) oraz dowolny wariant SARS-CoV-2. To byłyby niezwykle przydatne informacje, biorąc pod uwagę, że zdrowy człowiek oddycha przeciętnie 16 razy na minutę i za każdym razem wciąga do płuc pół litra powietrza. W ciągu minuty jest to więc osiem litrowych butelek – wystarczy pomnożyć przez liczbę uczniów w klasie, by zdać sobie sprawę, ile powietrza wymienią między sobą już po kwadransie, wdychając nawzajem wydzieliny z dróg oddechowych, w których w okresie nasilonych infekcji mogą być wspomniane zarazki.

„Obecnie dopiero po kilku dniach dowiadujemy się, czy w pomieszczeniu, w którym przebywaliśmy, nie było nikogo, kto rozsiewał wirusy. Nasz czujnik mierzy to w 5 minut” – zachwala jego współwynalazca, dr Joseph Puthussery, który pracował już wcześniej nad aparaturą do pomiaru toksyczności powietrza. W detektorze umieszczono nanoprzeciwciała, które reagują z wirusem i go rozpoznają, a ponieważ cały pomysł zasadza się na reakcji elektrochemicznej w czujniku, przebiega ona szybciej i nie wymaga odczynników. Zdaniem konstruktorów nanoprzeciwciała są łatwe do odtworzenia i tanie.

– Ich dopasowanie musi być jednak takie, by wirus wiązał się z nimi wystarczająco długo, aby można go było wykryć, a następnie ulegał dysocjacji, umożliwiając dalsze korzystanie z aparatu – wyszczególnia prof. Morawska. I dodaje, że dla każdego nowego wariantu zarazka trzeba będzie izolować odpowiednie nanoprzeciwciała o określonym poziomie powinowactwa, co może być czasochłonnym zadaniem.

Również prof. Paweł Wargocki dostrzega minusy: – Czujnik jest bardzo głośny, wytwarza hałas na poziomie 70-80 dB, więc nie wydaje mi się możliwe, żeby działał podczas lekcji. Po drugie, sale mają określoną kubaturę, więc jeśli zakażona osoba usiądzie w jednym rogu, a czujnik będzie po przeciwnej stronie, to zanim wirusy przedostaną się do niego, musi upłynąć trochę czasu, zależnego od odległości, wilgotności, temperatury i cyrkulacji powietrza. Przy jej braku pomiar może być zafałszowany, a przerwy międzylekcyjne mogą na to nie wystarczyć.

Rozpoczęto już starania o komercjalizację urządzenia. Czy okaże się przebojem na miarę domowych filtrów do wody? Od ponad 150 lat potrafimy ją oczyszczać z zarazków, dlaczego więc z powietrzem nie robimy tego samego?