‘ไส้กรอง HEPA-หน้ากาก N95’ จากต้นกำเนิดอาวุธ สู่อุปกรณ์ช่วยชีวิตมนุษย์นับล้าน

ว่ากันว่าของใช้ในชีวิตประจำวันของเราหลายชนิด มีต้นกำเนิดความบังเอิญ หรือไม่ก็มาจากการคิดค้นเพื่อถูกใช้ทางทหาร แต่ต่อมากลับถูกพัฒนาจนกลายเป็นของใช้ในชีวิตประจำวันเราทุกคน ปัญหามลพิษฝุ่นควันที่เราเผชิญอยู่ในขณะนี้ การแก้ที่ต้นเหตุดูเหมือนจะเกินความสามารถของคนทั่วไป คงต้องฝากความหวังไว้ที่ระดับผู้กำหนดนโยบายภาครัฐ เห็นได้จากสถานการณ์ฝุ่นทางภาคเหนือซึ่งท้ายที่สุดชาวบ้านในท้องถิ่นก็ต้องพึ่งตนเองตามหลัก 'ตนเป็นที่พึ่งแห่งตน' 

สิ่งที่หลายคนพอจะทำได้คือการหาเครื่องฟอกอากาศ หรือ หน้ากากแบบ N95 ที่มีชั้นกรองที่ละเอียดสามารถกรองฝุ่นและอนุภาคขนาดเล็กอย่างฝุ่น PM2.5 มาใช้ป้องกันตนเองกันเอง อันที่จริงสำหรับอุปกรณ์อย่างไส้กรอง HEPA ที่มีชั้นกรองละเอียด รวมถึงหน้ากาก N95 เคยเป็นอุปกรณ์จำเป็นของคนทั้งโลกในช่วงการระบาดใหญ่ของโควิด-19 มาแล้ว ซึ่งต้นกำเนิดของอุปกรณ์ที่ช่วยชีวิตคนนับล้านนี้ มีที่มาจากการคิดค้นอาวุธเคมีที่ใช้ในสงคราม เรามารู้จักเบื้องหลังของวิวัฒนาการที่โดดเด่นของตัวกรอง HEPA และหน้ากาก N95

ไส้กรองฝุ่นกัมมันตรังสี 

บรรดาเครื่องฟอกอากาศ หรือเครื่องปรับอากาศที่เราใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน ตลอดจนระบบกรองอากาศบนเครื่องบินจะมีการกรองอากาศแบบที่เรียกว่า HEPA Filter ซึ่งแผ่นกรอง HEPA ย่อมาจาก ‘High Efficiency Particulate Air’ จัดเป็นแผ่นกรองอากาศคุณภาพสูงที่มีประสิทธิภาพในการกรองอากาศมากกว่าแผ่นกรองทั่วไป  

HEPA ทำมาจากเส้นใยไฟเบอร์กลาสที่ถักทอจนความถี่ของเส้นใยมีขนาดเล็กมากๆ จนสามารถดักจับฝุ่นที่มีอนุภาคเล็กกว่า 0.3 ไมครอน (เล็กกว่าฝุ่นPM2.5) ได้กว่า 95% จึงสามารถกรองฝุ่น PM2.5 รวมถึงเส้นผม ฝุ่นที่เห็นด้วยตาเปล่า เชื้อรา ไวรัส แบคทีเรีย และละอองเกสรที่ลอยอยู่ในอากาศได้ 

ปัจจุบันก็มี HEPA หลายเกรด ซึ่งบางเกรดก็สามารถกรองสิ่งสกปรกได้เล็กกว่านั้น ขึ้นอยู่กับรูปแบบการใช้งาน เพราะปัจจุบันไส้กรองแบบ HEPA ถูกใช้อย่างแพร่หลายตั้งแต่ในบ้านของเรา บนเครื่องบิน ห้องผ่าตัดในโรงพยาบาล ไปจนถึงในภาคอุตสาหกรรม  

ต้นกำเนิดของแผ่นกรอง HEPA ย้อนกลับไปช่วงทศวรรษที่ 1940 ห้วงเวลาของสงครามโลกครั้งที่ 2 ซึ่งกองทัพสหรัฐฯ กำลังอยู่ระหว่างพัฒนาอาวุธนิวเคลียร์เพื่อใช้กำราบศัตรู ในเวลานั้นนับเป็นช่วงเวลาของการแข่งขันด้านอาวุธยุทโธปกรณ์และศักยภาพทางวิทยาศาสตร์ของชาติมหาอำนาจ  

ในเวลานั้นทีมนักวิทยาศาสตร์กลุ่มหนึ่งของหน่วยวิจัยในโครงการ "แมนฮัตตัน" ซึ่งเป็นหน่วยงานพัฒนาระเบิดนิวเคลียร์ ต้องการสร้างอุปกรณ์ชนิดนึงที่สามารถดักจับอนุภาคกัมมันตภาพรังสีและป้องกันไม่ให้แพร่กระจายไปในอากาศ  

หน่วยงานของรัฐบาลอย่าง US Army Chemical Corps และ National Defense Research Committee ในฐานะที่เป็นส่วนหนึ่งของโครงการแมนฮัตตัน รู้ว่าพวกเขาต้องการระบบการกรองอากาศที่มีประสิทธิภาพและทนทาน สำหรับใช้ป้องกันตัวเองในระหว่างการทดลองสร้างระเบิดปรมานู พวกเขาจึงได้ทดลองกับวัสดุต่างๆ รวมทั้งใยแก้วและกระดาษ แต่ก็ไม่สามารถตอบสนองความต้องการของพวกเขาได้  

ทว่าในวันหนึ่ง หนึ่งในนักวิทยาศาสตร์ของโครงการนี้เพิ่งเดินทางไปเยี่ยมชมโรงงานแห่งหนึ่งที่กำลังทดสอบตัวกรองชนิดใหม่ซึ่งทำจากเส้นใยที่เรียงตัวอย่างลเอียด พวกเขาจึงนำมาต่อยอดและดัดแปรงสำหรับใช้ในหน้ากากเพื่อหวังใช้สำหรับป้องกันแก๊สพิษและฝุ่นกัมมันตรังสี 

อย่างไรก็ตาม แม้จะพบว่าแผ่นกรองที่ใช้เส้นใยดังกล่าวมีความสามารถดักจับฝุ่นได้ในระดับหนึ่ง แต่ทางกองทัพต้องการหน้ากากที่มีความละเอียดมากกว่านั้น เพื่อไว้สำหรับป้องกันสารเคมีและรังสีบางชนิด US Army Chemical Corps จึงได้ขอให้ เออร์วิง แลงเมียร์ (Irving Langmuir) นักฟิสิกส์และนักเคมี ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี ในปี 1932 เป็นที่ปรึกษาว่าควรใช้เส้นใยที่มีความละเอียดเท่าใด จึงจะมีประสิทธิภาพการป้องกันสูงสุด แลงเมียร์จึงได้ทำการทดลองกระทั่งพบว่า แผ่นกรองที่สามารถกรองอนุภาคเล็กกว่า 0.3 ไมครอนได้ เป็นขนาดที่ทะลุทะลวงยากที่สุด นั่นจึงเป็นคำตอบว่าทำไมต้องแผ่นกรองต้องมีคุณสมบัติกรองอนุภาคที่เล็กกว่า 0.3 ไมครอน 

เมื่อสงครามโลกครั้งที่ 2 สินสุดมีนำแผ่นกรองรูปแบบนี้ ออกจำหน่ายเชิงพาณิชย์ในปี 1950 ซึ่งในเวลานั้นคำว่า HEPA ได้ถูกจดทะเบียนกลายเป็นลิขสิทธิ์เครื่องหมายการค้าของบริษัทเอกชนแห่งหนึ่่ง ทว่าต่อมาหลังเป็นที่ถกเถียงกันทางกฎหมาย คำว่า HEPA ได้กลายเป็นคำสามัญที่สามารถใช้ในทางการค้าทั่วไปได้ ซึ่งมีความหมายถึงแผ่นกรองที่มีประสิทธิภาพสูง 

หลังสงครามตัวกรอง HEPA ถูกนำมาใช้ใหม่ในโลกของพลเรือน มันถูกใช้เพื่อฟอกอากาศในโรงพยาบาล ห้องปฏิบัติการ และคลีนรูม นอกจากนี้ยังกลายเป็นเครื่องมือสำคัญในการปกป้องคนงานจากอันตรายในอากาศในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น การก่อสร้าง เหมืองแร่ และการผลิต 

เรื่องราวของแผ่นกรอง HEPA เป็นเครื่องเตือนใจว่าบางครั้งการค้นพบที่สำคัญที่สุดมาจากสถานที่ที่คาดไม่ถึง การได้พบกับตัวกรองชนิดใหม่ทำให้เกิดการพัฒนาเทคโนโลยีที่ช่วยชีวิตผู้คนนับไม่ถ้วนและปฏิวัติวิธีคิดของเราเกี่ยวกับคุณภาพอากาศ

N95 จากหมอจีน 

ถึงตรงนี้ผู้เขียนเองตอนแรกก็มีข้อสงสัยว่า เหตุใดทำไมเราไม่นำรูปแบบการกรองของ HEPA พัฒนามาใช้เป็นหน้ากากป้องกันในชีวิตประจำวันทั่วไป แต่ภายหลังได้ทราบว่า เพราะแผ่นกรอง HEPA มีขนาดที่ละเอียดมาก จึงทำให้การหายใจของมนุษย์สำหรับใช้งานในชีวิตประจำวันแทบไม่เป็นไม่ได้ 

เมื่อคนส่วนใหญ่นึกถึงหน้ากาก N95 พวกเขาจะนึกถึงการแพร่ระบาดของ COVID-19 แต่น้อยคนนักที่จะรู้ว่าเดิมทีหน้ากาก N95 ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อจุดประสงค์ที่แตกต่างกันมาก นั่นคือ การปกป้องทหารจากสารเคมีและสงครามชีวภาพ 

อันที่จริงหน้ากากแบบ N95 หรือจะเรียกว่าหน้ากากที่ใช้ทางการแพทย์นั้น มีบรรพบุรุษก่อนหน้านั้นหลายรุ่น ในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 มีการเริ่มใช้ผ้าพันแผลปิดปาก ซึ่งเป็นผ้าพันแผลที่ผ่านการฆ่าเชื้อสองชั้น พร้อมปรับรูปทรงให้สอดคล้องกับรูปหน้าของผู้สวมใส่ อีกหนึ่งบรรพบุรุษของ N95 คือ หน้ากากของ อู่เหลียนเต้ (Wu Lien-Teh) แพทย์ประจำราชสำนักจีน ซึ่งเคยช่วยรับมือโรคระบาดในแมนจูเรียช่วงปี 1910 ซึ่งเขาได้พัฒนาหน้ากากผ้าสำหรับป้องกันเชื้อโรค 

อู่พัฒนาหน้ากากที่แข็งขึ้นจากผ้าก๊อซและผ้าฝ้ายซึ่งห่อหุ้มใบหน้าอย่างแน่นหนาและเพิ่มผ้าหลายชั้นเพื่อกรองการหายใจ สิ่งประดิษฐ์ของเขาถือเป็นความก้าวหน้า แต่แพทย์บางคนยังคงสงสัยในประสิทธิภาพของมัน  

มีเรื่องติดตลกในเวลานั้นว่า อู่ได้เผชิญหน้ากับ เจอราลด์ เมสนี (Gérald Mesny) ศัลยแพทย์ชาวฝรั่งเศส ซึ่งเขาเคลือบแคลงสงสัยในหน้ากากที่อู่ออกแบบ อู่ได้อธิบายทฤษฎีของเขาให้แพทย์ชาวฝรั่งเศสฟังว่ากาฬโรคเกิดจากปอดและลอยอยู่ในอากาศ แต่แพทย์ฝรั่งเศสกลับตอบกลับในแง่เหยียดผิวว่า 'เราจะคาดหวังอะไรจากชาวจีนได้บ้าง' และเพื่อพิสูจน์ประเด็นนี้ เมสนี ไปดูแลผู้ป่วยในโรงพยาบาลโรคระบาดโดยไม่สวมหน้ากากของอู่ และเขาเสียชีวิตในสองวันด้วยโรคระบาด 

แพทย์อื่น ๆ ในภูมิภาคทันทีที่ทราบข่าว ได้สร้างหน้ากากสำหรับตนเองขั้นมาอย่างรวดเร็ว ซึ่งยุคนั้นถึอว่าเป็นสิ่งประดิษฐ์ที่ค่อนข้างประหลาด เพราะยังไม่เคยมีการใช้หน้ากากทางการแพทย์มาก่อน นักประวัติศาสตร์หน้ากากทางการแพทย์อย่าง คริสตอส ลินเทอริส (Christos Lynteris) ยกย่องว่าหน้ากากของอู่ออกแบบมาดีมาก ทำจากวัสดุที่ราคาถูกและหาได้ง่าย บุคลากรทางการแพทย์ยุคต่อมากจึงใส่หน้ากากของอู่ และก็เป็นสัญลักษณ์ของการแพทย์ยุคใหม่ที่รับมือกับโรคระบาด 

ลินเทอริสถึงกับยกย่องว่า บอกไว้ด้วยว่า หน้ากาก N95 ในปัจจุบัน ก็คือ ลูกหลาน ของการออกแบบหน้ากากของอู่ 

ย้อนกลับมาที่ต้นกำเนิดที่แท้จริงของ N95 ในช่วงทศวรรษที่ 1970 เมื่อสำนักงานเหมืองแร่แห่งสหรัฐอเมริกาและสถาบันแห่งชาติเพื่อความปลอดภัยและอาชีวอนามัย (NIOSH) เริ่มค้นคว้าวิธีปกป้องคนงานเหมืองจากผลกระทบที่เป็นอันตรายของฝุ่นถ่านหิน  

พวกเขาพัฒนาหน้ากากที่สามารถกรองอนุภาคในอากาศได้ 95% รวมถึงฝุ่นถ่านหิน และเรียกมันว่า  เครื่องช่วยหายใจ N95" หรือ (N95 respirator) โดย "N" หมายถึง "ทนทานต่อน้ำมัน" ซึ่งแสดงว่าหน้ากากมีประสิทธิภาพในการป้องกันอนุภาคที่มีน้ำมันเป็นส่วนประกอบได้อย่างดี  

หน้ากากถูกออกแบบให้เป็นหน้ากากแบบใช้แล้วทิ้ง โดยมีรูปทรงที่กระชับพอดีและคลิปหนีบจมูกที่ปรับได้เพื่อสร้างการปิดล้อมรอบจมูกและปาก หน้ากากกรองอนุภาคในอากาศโดยใช้เส้นใยชนิดพิเศษที่ช่วยดักจับอนุภาคขนาดเล็กสำหรับคนงานเหมืองแร่ แต่หน้ากาก N95 ในขณะนั้นทำจากวัสดุที่ต่างจากปัจจุบัน   

แต่คำถามก็คือ แล้วหน้ากาก N95 ที่มีประสิทธิภาพดักจับอนุภาคขนาดเล็กจิ๋วไว้ได้ แม้แต่อนุภาคที่เล็กระดับไวรัสแบบที่เราใช้กันอยู่ในปัจจุบัน มันมาจากไหน

หน้ากากกันอาวุธเคมี 

คำตอบก็ต้องยกย่องให้ ปีเตอร์ ไช่ (Peter Tsai)  นักวิทยาศาสตร์ชาวไต้หวัน-อเมริกัน ซึ่งเป็นที่รู้จักกันเป็นอย่างดีในการคิดค้นเทคโนโลยีที่อยู่เบื้องหลังหน้ากาก N95 ไช่เกิดที่ไต้หวันในปี 1952 ศึกษาด้านวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมพอลิเมอร์ที่มหาวิทยาลัยแห่งชาติไต้หวัน ก่อนจะได้รับปริญญาเอก ด้านวัสดุศาสตร์จากมหาวิทยาลัยเทนเนสซี 

ในช่วงปลายทศวรรษ 1980 ไช่ทำงานเป็นศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยเทนเนสซี เมื่อเขาได้รับโทรศัพท์จากศูนย์ควบคุมและป้องกันโรค (CDC) CDC กำลังหาทางปกป้องบุคลากรทางการแพทย์จากโรคติดเชื้อ และพวกเขาเชื่อว่าความเชี่ยวชาญด้านวิทยาศาสตร์โพลิเมอร์ของไช่อาจเป็นประโยชน์ ไช่จึงมุ่งเน้นไปที่การค้นคว้า 

วัสดุที่กรองอากาศโดยการดึงดูดอนุภาคผ่านเส้นใยที่มีประจุไฟฟ้าสถิต กระทั่งในปี 1992 ทีมงานของเขาได้พัฒนาวัสดุโพลิเมอร์ที่ประกอบด้วยประจุบวกและประจุลบ ดึงดูดอนุภาคต่างๆ เช่น ฝุ่น แบคทีเรีย และไวรัส และดักจับประจุ 95 เปอร์เซ็นต์ด้วยโพลาไรเซชันก่อนที่จะผ่านหน้ากากไปได้ 

โพลิเมอร์แบบที่ไช่ประดิษฐ์ เป็นลักษณะเส้นใยกระจายตัวที่คล้ายกับการเอาแท่งไม้เล็กๆ มาสานขัดกันไปมา แท่งไม้พวกนี้ไม่ได้เรียงเป็นชั้นเดียว แต่ซ้อนทับกันหลายๆ ชั้น ดังนั้น เมื่ออนุภาคต่างๆ ไม่ว่าจะเป็นฝุ่นหรือไวรัสปลิวเข้ามา มันจึงต้องมาผ่าน ‘เขาวงกต’ ของแท่งไม้เหล่านี้ ซึ่งในแต่ละช่องว่างจะมีประจุไฟฟ้าตามธรรมชาติที่สามารถดักจับอนุภาคขนาดเล็กได้ 

ไช่เคยกล่าวว่า “ความตั้งใจเดิมคือการใช้เส้นใยที่มีประจุไฟฟ้าเหล่านี้สำหรับเครื่องกรองอากาศ เช่น เครื่องกรองอากาศภายในบ้าน” ทว่าในช่วงเวลาที่เทคโนโลยีนี้คลอดออกมา มันถูกนำไปใช้ในสมรภูมิสงครามอ่าวเปอร์เซียช่วงปี 1990-1991 ซึ่งกองทัพสหรัฐฯ กำลังมองหาวัสดุโพลิเมอร์ที่จะนำไปใช้เป็นส่วนประกอบสำหรับไส้กรองหน้ากากกันแก๊สพิษ สำหรับป้องกันอาวุธเคมีในระหว่างการรบในอิรัก   

ประสิทธิภาพของหน้ากากถูกนำไปทดสอบในปี 1991 เมื่ออิรักยิงขีปนาวุธสกั๊ดที่ติดหัวรบเคมี ทหารสามารถสวมหน้ากาก N95 ได้อย่างรวดเร็วและหลีกเลี่ยงการสัมผัสกับสารเคมีร้ายแรง 

บทบาทของหน้ากากแบบ N95 ในฐานะอุปกรณ์การแพทย์เด่นชัดขึ้นในปีช่วงที่มีโรคซาร์สระบาด หลังจากที่หน่วยงาน CDC สหรัฐฯ พบว่า สิ่งประดิษฐ์ของไช่ มีประสิทธิภาพสูงในการการป้องกันแพร่กระจายเชื้อผ่านระบบทางเดินหายใจ แผ่นกรองสามารถดักจับอนุภาคในอากาศได้ถึง 95% รวมถึงไวรัส แบคทีเรีย และสารอันตรายอื่นๆ  

สิ่งนี้นำไปสู่การพัฒนาหน้ากาก N95 ซึ่งได้รับการตั้งชื่อตามความสามารถในการกรองอนุภาคในอากาศได้ถึง 95% ในเวลานั้นเองเป็นครั้งแรกที่องค์การอนามัยโลก (WHO) แนะนำให้ใช้หน้ากากแบบ N95 สำหรับบุคลากรทางการแพทย์ที่ดูแลผู้ป่วยที่สงสัยหรือได้รับการยืนยันว่าเป็นโรคซาร์ส กระทั่งโลกได้เผชิญกับการระบาดของโควิด-19  

แม้ปีเตอร์ ไช่ จะเกษียณอายุไปแล้ว ไช่ก็ยังมีบทบาทในฐานะผู้ที่พยายามหาวิธีฆ่าเชื้อหน้ากาก N95 เพื่อนำกลับมาใช้ใหม่อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด เมื่อความต้องการหน้ากากที่เพิ่มขึ้นจนขาดตลาด 

หน้ากาก N95 เป็นเครื่องยืนยันถึงพลังแห่งนวัตกรรมและการปรับตัว จากเดิมทีพัฒนาขึ้นเพื่อใช้อุตสาหกรรม แต่กลับถูกนำไปทดสอบในสงคราม กระทั่งปัจจุบันได้กลายเป็นเครื่องมือสำคัญในการต่อสู้กับโรคระบาด จนถึงการถูกใช้ป้องกันฝุ่นพิษซึ่งแม้จะเป็นการแก้ปัญหาที่ปลายเหตุก็ตามที