GSS的新傳感器技術(shù)為NASA提供了可穿戴式二氧化碳監(jiān)測(cè)

在一個(gè)只有人類(lèi)呼吸的、自給自足的封閉系統(tǒng)中，隨著時(shí)間的推移，二氧化碳濃度會(huì)逐漸積累到一個(gè)對(duì)人體有害的水平。 因此，在人類(lèi)存在的任何形式的航天器中，需要執(zhí)行去除二氧化碳和再生氧氣的有效機(jī)制。

由于不受重力影響，空氣在這些位置的移動(dòng)方式不同。 氣體熱量不會(huì)上升，這反過(guò)來(lái)導(dǎo)致空氣混合顯著減少。 因此，國(guó)際空間站（ISS）上的乘客在飛船上的時(shí)間比我們其他人經(jīng)歷著更多的二氧化碳水平。 在地球上，它僅占空氣含量的0.03％（相當(dāng)于0.23 mmHg的分壓）。 美國(guó)國(guó)家航空航天局設(shè)定的長(zhǎng)航時(shí)航天器最大允許二氧化碳濃度是該數(shù)值的兩倍多，為0.07％（分壓為0.53毫米汞柱）。

雖然廣泛的陸地研究表明，這種增加的CO2的濃度對(duì)接觸者的長(zhǎng)期健康沒(méi)有影響，但必須承認(rèn)國(guó)際空間站上的船員仍然經(jīng)常出現(xiàn)急性二氧化碳毒性癥狀——如頭痛或嗜睡。

人們普遍認(rèn)為，人類(lèi)對(duì)微重力條件的適應(yīng)將導(dǎo)致太空中的宇航員對(duì)二氧化碳濃度升高變得更加敏感。 這不僅會(huì)導(dǎo)致身體不適，還會(huì)影響他們的認(rèn)知能力和反應(yīng)時(shí)間——從而可能導(dǎo)致安全風(fēng)險(xiǎn)。平均而言，機(jī)組人員在國(guó)際空間站上停留約6個(gè)月，因此很好地掌握CO2濃度對(duì)人體的持續(xù)影響顯然具有重要價(jià)值。

考慮到實(shí)際操作的可行性，這就意味著我們無(wú)法（在技術(shù)上或經(jīng)濟(jì)上說(shuō)）除掉足夠多的二氧化碳來(lái)復(fù)制一個(gè)和地球相同的環(huán)境條件，但國(guó)際空間站必須在空氣中存在的相對(duì)較高的環(huán)境二氧化碳濃度下正常運(yùn)行。 然而，它的居住者必須在可接受的環(huán)境中生活和工作。

多年來(lái)，美國(guó)宇航局的科學(xué)家們一直想徹底調(diào)查二氧化碳濃度升高如何影響國(guó)際空間站機(jī)組人員執(zhí)行任務(wù)的能力，但是他們花了很長(zhǎng)時(shí)間才找到一種方法來(lái)獲取足夠高精度的數(shù)據(jù)。 鑒于這一點(diǎn)，如前所述，在沒(méi)有重力影響的情況下，空氣混合不夠充分，通過(guò)壁掛式傳感器來(lái)準(zhǔn)確反映機(jī)組人員接觸二氧化碳的情況，已被證明是一種不適合的方法。 相反，真正需要的是可穿戴式二氧化碳傳感器。

可穿戴式二氧化碳傳感器必須滿(mǎn)足幾個(gè)關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。 這些如下：

1.它必須是低功耗從而保證電池長(zhǎng)時(shí)間使用——這樣可以在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)運(yùn)行而無(wú)需再充電。

2.為了佩戴者舒適和方便，傳感器必須緊湊并且重量輕。

3.簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)接口也很重要，這樣可以使獲取的信息易于訪(fǎng)問(wèn)，同時(shí)使系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程盡可能短且簡(jiǎn)單。

在對(duì)市場(chǎng)上的CO2傳感器進(jìn)行全面調(diào)查后，在美國(guó)宇航局技術(shù)轉(zhuǎn)讓計(jì)劃中工作的科學(xué)家們做出來(lái)最終選擇： 指定了蘇格蘭傳感器制造商SST和氣體傳感解決方案GSS共同開(kāi)發(fā)的解決方案。 這兩家公司在原型設(shè)計(jì)階段與NASA保持聯(lián)系，提供行業(yè)領(lǐng)先的COZIR CO2傳感器的詳細(xì)性能信息，以便該設(shè)備可以在空間站的個(gè)人CO2監(jiān)測(cè)器上最大限度地利用起來(lái)。

負(fù)責(zé)執(zhí)行該項(xiàng)目的NASA團(tuán)隊(duì)隨后圍繞COZIR傳感器構(gòu)建了一個(gè)定制設(shè)計(jì)的基板。該硬件提供了所有必要的功率調(diào)節(jié)，處理，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和無(wú)線(xiàn)連接。 該團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了一個(gè)可以3D打印的外殼，并且可以輕松地夾在機(jī)組人員的衣服上（傳感器穿在他們的衣領(lǐng)背面）。

由于COZIR氣體傳感器采用了非常先進(jìn)的光電子器件，這些低功率，高速非色散紅外（NDIR）器件可以覆蓋低至ppm CO2水平的測(cè)量范圍（0至5000ppm量程和±3％的精度）。 它們可以支持10年以上的使用壽命。該傳感器適用于此應(yīng)用的關(guān)鍵是它們的省電功能——設(shè)備僅有3.5mW的功耗在每秒2次采樣的頻率下。 這意味著它們比目前市場(chǎng)上的標(biāo)準(zhǔn)NDIR傳感器功耗低50倍。 另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是易于連接 - 方便的串行連接便于數(shù)據(jù)傳輸。

通過(guò)這些個(gè)人二氧化碳監(jiān)測(cè)器，可以在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)對(duì)宇航員的個(gè)人二氧化碳接觸進(jìn)行簡(jiǎn)單而不顯眼的跟蹤。 宇航員將能夠通過(guò)自定義iPad應(yīng)用程序直接查看自己的數(shù)據(jù)。此外，從機(jī)組成員獲得的所有數(shù)據(jù)集隨后將匯總并由研究人員使用，以更好地了解太空旅行期間二氧化碳接觸量增加的長(zhǎng)期影響。 這不僅可以證明對(duì)國(guó)際空間站的工作人員非常有益，而且可以用于未來(lái)對(duì)火星的探測(cè)任務(wù)。