COOL - CO2Lab

CO2 Lab è un laboratorio di misura della CO2 in ambienti indoor dedicato alla scuola secondaria superiore. Il percorso combina elementi di qualità dell’aria e sostenibilità dei dispositivi elettronici con making e competenze digitali.

Il progetto CO2 Lab si svolge su tre linee di attività principali:
1. Attività teorica: comprendere il significato della concentrazione di CO2 in ambiente come indicatore della salubrità degli ambienti, con particolare riferimento alla diffusione del Coronavirus
2. Attività “maker”: assemblare una mini-stazione per la misura in tempo reale della CO2 con componentistica commerciale a basso costo
3. Attività educativa: riutilizzo di vecchio hardware (smartphone) in un’ottica di economia circolare, con particolare riferimento alla problematica dell’obsolescenza programmata

 

A. Il significato della concentrazione di CO2 in ambienti confinati

La concentrazione di CO2 in ambienti indoor è un buon indicatore del rapporto tra il numero di persone presenti e i ricambi di aria. Ed è noto che la presenza di un numero eccessivo di persone in un ambiente mal ventilato può aumentare la probabilità di diffusione del Coronavirus, qualora una delle persone presenti ne sia portatore (vedi rapporto ISS COVID-19 n. 5/2020 Rev. 2).
Quindi, pur non essendo la CO2 di per sé una sostanza nociva o inquinante, può essere considerata un indicatore della qualità dell’aria indoor, in particolare riguardo l’insufficienza dei ricambi dell’aria.
D’altra parte, la buona notizia è che oggi la CO2 è facilmente misurabile con sensori a basso costo, che allo scopo di rilevare ambienti poco ventilati garantiscono una ragionevole qualità della misura.

La concentrazione ambientale di CO2 è attualmente dell’ordine dei 415 ppm (parti per milione), ed è in continua crescita, a causa delle emissioni antropiche da utilizzo di combustibili fossili. La principale preoccupazione dell’aumento della concentrazione di CO2 in ambiente è relativa all’effetto serra e ai cambiamenti climatici che essa produce (non essendo la CO2 una sostanza nociva in senso stretto).
Negli ambienti confinati, le problematiche sono diverse. Essendo la CO2 emessa dagli esseri viventi attraverso l’espirato, negli spazi affollati e con una ventilazione insufficiente la concentrazione di CO2 può aumentare anche di diverse migliaia di ppm. A tali concentrazioni, pur non essendo pericolosa per gli esseri umani, la CO2 può iniziare a causare sintomi quali riduzione della concentrazione, affaticamento e senso di spossatezza.
In aggiunta a questo, nella crisi pandemica da Covid19 che ci vede tutti coinvolti da inizio del 2020, una concentrazione elevata di CO2 indoor - soprattutto in ambienti pubblici - deve essere vista come campanello di allarme per un eccessivo affollamento dell’ambiente confinato in riferimento anche ai ricambi d’ aria interna. È risaputo che questo fenomeno sia da evitare con attenzione, per ridurre la probabilità di ispirare i droplet prodotti da altre persone, che potrebbero essere portatori di Coronavirus.

La raccomandazione di ventilare gli ambienti indoor, quali le aule scolastiche, è quindi assolutamente valida e corretta, e rimane una buona pratica indipendentemente dalla presenza di strumenti per la misura della concentrazione di CO2. Per cercare in ogni caso di non eccedere con la ventilazione, che porta con sé un consumo energetico maggiore per il riscaldamento (o il raffrescamento) degli ambienti, un sistema low-cost per il monitoraggio in tempo reale della concentrazione di CO2 può essere un ausilio prezioso.

 

B. Maker’s day

Durante gli ultimi anni si è registrata una costante crescita di disponibilità di sistemi elettronici integrati, con una quantità impressionante di possibili utilizzi, a prezzi particolarmente contenuti. Tali sistemi vengono utilizzati dai cosiddetti “makers”, appassionati allo sviluppo di sistemi robotici, domotici, multifunzionali e delle applicazioni IoT (“internet of things”). Un esempio su tutti è la gamma dei “Raspberry Pi”, che sono veri e propri microcomputer della dimensione di una carta di credito e dotati di tutte le funzionalità di un vero PC: uscita video per collegare una TV o un monitor, porte USB per collegare periferiche, memoria di storage (basata su schede micro-SD), nonché funzionalità di comunicazione WiFi e Bluetooth™. La gamma dei Raspberry Pi, originariamente sviluppata presso la celebre Università di Cambridge nel Regno Unito, va dal recente Raspberry Pi 4 (dotato di un processore piuttosto performante e fino a 8 GB di RAM) al costo di circa € 100 compresi accessori, al minuscolo Raspberry Pi Zero W, che è alla base di questo progetto. La versione Zero W ha infatti una memoria limitata e un processore più lento, comunque sufficienti all’applicazione proposta, ed è dotato di WiFi e Bluetooth, al costo di circa € 12÷15.

È importante segnalare che questi micro-PC, grazie alla presenza del sistema operativo Linux, sono in grado di svolgere egregiamente le funzioni di web server, permettendo quindi di visualizzare pagine web dinamiche con i contenuti più vari. Inoltre, essendo basati sulla diffusissima ed Open Source distribuzione Linux Debian, possono essere programmati in diversi linguaggi, compreso il potente linguaggio Python utilizzato per questo progetto, supportati da una ampia comunità di sviluppatori e da molte componenti disponibili con licenze Open Source. Completa il set-up proposto in questa progettualità il sensore di CO2 modello SCD30 della ditta Sensirion che, tramite la misura di assorbimento infrarosso di tipo non dispersivo (per una spiegazione introduttiva si veda ad esempio https://en.wikipedia.org/wiki/Nondispersive_infrared_sensor), permette di misurarne la concentrazione e comunicarla al micro-PC Raspberry Pi tramite un apposito bus di comunicazione a due fili.

Con la combinazione Raspberry Pi Zero W + Sensirion SCD30 abbiamo quindi un sistema IoT a basso costo per la misura della CO2. Ma come facciamo a visualizzare le misure, senza un display?

 

C. Un piccolo passo contro l’obsolescenza programmata

Esistono in commercio diverse varietà di display per i sistemi Raspberry Pi, da piccoli display a cristalli liquidi, a grandi display LED da 9”, fino ai display ePaper (carta elettronica) tipica dei libri elettronici. Ma perché acquistare un display per il nostro sistema? Non possiamo utilizzare qualcosa che magari abbiamo già?
Tutti noi probabilmente abbiamo in casa un vecchio smartphone, magari un modello di 7-8 anni fa, che è stato dismesso in quanto non più all’altezza delle app più recenti, oppure perché non è più aggiornabile alla più recente versione di Android (o iOS). Tali “residuati elettronici”, soggetti alla cosiddetta obsolescenza programmata, sono comunque dei veri e propri micro-computer, dotati di display, touch screen, WiFi, altoparlante, batteria, e tutto ciò ancora perfettamente funzionante ma abbandonato in un cassetto.
Nei circuiti e nello schermo di un cellulare si possono trovare diversi materiali composti da elementi che vengono definiti critici in quanto scarsamente presenti nella crosta terrestre. Il loro elevato utilizzo in elettronica ha portato ad una difficoltà di approvvigionamento e ad un inevitabile aumento dei costi di queste materie prime. Una possibilità alla portata di tutti per ridurre la richiesta di questi elementi è quella di riutilizzare i cellulari obsoleti in situazioni in cui non sono richieste prestazioni significative.
Il progetto proposto permette di aggirare l’obsolescenza programmata ridando vita a smartphones o tablet: sarà necessario soltanto connettersi via WiFi alla stazione di monitoraggio e un browser web per l’utilizzo della WebApp CO2 Lab per visualizzare i dati in tempo reale, ricevere avvisi audio in funzione di livelli eccessivi di CO2, e scaricare i dati grezzi dell’andamento giornaliero delle concentrazioni in formato tabellare.
Abbiamo quindi deciso di progettare la nostra stazione per la misura della CO2 intorno all’idea di utilizzare un vecchio modello di smartphone come display e interfaccia utente della nostra stazione.

 

D. Il percorso

Il percorso viene proposto agli studenti della scuola secondaria superiore. Si parte con la ricerca di vecchi smartphone usati. Questa attività preparatoria, che gli studenti svolgono in autonomia, ha lo scopo di generare una riflessione sull’obsolescenza percepita nei telefoni cellulari. Le attività educative consistono in un seminario di presentazione delle tematiche e un’attività pratica di misurazione della CO2 in classe in diverse condizioni quali ad esempio finestre aperte o chiuse, numero di studenti presenti in aula, e pulizia delle aule. Il percorso si completa con l’analisi dei dati e la stesura di una relazione di laboratorio, prodotta in autonomia dagli studenti, e con una valutazione del percorso. Le tematiche trattate, quali sostenibilità, making e competenze digitali, rendono CO2 Lab particolarmente adatto per un percorso di educazione civica nelle scuole secondarie.

 Percorso

 

E. Il sistema CO2Lab

 

Da un'idea di:  Stefano Zampolli

Ispirata da:  Progetto “CO2-Ampel” di Umwelt Kampus Birkenfeld, Germania

Progettazione prototipo: Francesco Suriano

Sviluppo WebApp:  Francesco Marucci

Percorso formativo:  Marica Canino

Per partecipare scrivete a: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

Per approfondimenti su tematiche di qualità dell'aria indoor e Covid

 

Partecipanti

I Coordinatori:  Proambiente S.C.r.l. e IMM-CNR - Istituto per la Microelettronica e i Microsistemi

       

Istituti coinvolti

IPSIA Ferraris di Catanzaro - Laboratorio svoltosi tra il 7 e il 10 maggio 2021

 

Durata: Maggio 2021 - Maggio 2022 (12 mesi)

Finanziamento: Autofinanziamento

 

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