Aerosoly na stopě

Při vydechování a mluvení jsou vypouštěny kapky a aerosoly různých velikostí. Velké kapky (červené) klesají směrem k zemi. Menší kapky (žluté, zelené, modré) nejprve stoupají vzhůru, protože tělesné teplo vytváří vzdušný proud. Různé typy ochranných masek brání šíření v různém rozsahu. Obrázek ukazuje srovnání simulací – filtrační maska (FFP2/N95), chirurgická rouška, obličejový štít a úplná absence ochrany. © Fraunhofer ITWM

Simulační scénář letadlo – jak se šíří aerosoly v interiéru? © Fraunhofer ITWM / Simulation scenario aircraft - how do aerosols spread in the aircraft cabin? © Fraunhofer ITWM

Pohled shora na uličky supermarketu. Cesty (trajektorie) simulovaných zákazníků jsou znázorněny jako barevné čáry, přičemž shluky podobných trajektorií jsou zobrazeny ve stejné barvě. Reprezentativní trajektorie vytvořená umělou inteligencí, která usnadňuje výpočet, je pro daný shluk zobrazena v černé barvě. © Fraunhofer Austria / Pohled na uličky supermarketu. Cesty (trajektorie) simulovaných zákazníků jsou znázorněny jako barevné čáry, přičemž shluky podobných trajektorií jsou zobrazeny ve stejné barvě. Reprezentativní trajektorie vytvořená umělou inteligencí, která usnadňuje simulaci, je pro příslušný shluk zobrazena v černé barvě. © Fraunhofer Austria

Simulační scénář: Jak se aerosoly šíří uvnitř letadla? © Fraunhofer IBP / A simulation scenario: How do aerosols spread inside an aircraft? © Fraunhofer IBP

Jak se šíří infekční aerosoly v supermarketech, letadlech a dalších vnitřních prostorách, kde se setkává mnoho lidí? To zkoumají vědkyně a vědci z 15 institucí Fraunhofer v rámci projektu »AVATOR«.

Dodržování odstupu a nošení roušek je stále aktuální. Zatímco riziko nákazy venku je poměrně nízké, infekční aerosoly se v uzavřených prostorách mohou snadno hromadit a vést k přenosu nákazy. Jak se tyto aerosoly šíří a jaké je riziko nákazy v letadlech, supermarketech, třídách a podobně?

Sestava simulací místo jednotlivých simulací

To zkoumají vědkyně a vědci z celkem 15 institucí Fraunhofer pod vedením Fraunhofer-Institutu für Bauphysik IBP v rámci projektu AVATOR, zkratka pro »Anti-Virus-Aerosol: Testing, Operation, Reduction«. „Simulujeme a analyzujeme, jak se viry šíří v uzavřených prostorách a jak lze efektivně čistit vzduch v místnosti,“ říká prof. Dr. Gunnar Grün, zástupce vedoucího Fraunhofer IBP a hlavní koordinátor projektu. To, co je na tom zvláštní: vědkyně a vědci nepracují pouze s jednou metodou simulace, ale vytvářejí simulace pomocí různých postupů a úrovní detailů na zapojených institucích po dlouhou dobu. Začíná to přímo v blízkosti nakažené osoby – tedy blízko úst – a končí v dálkovém prostoru, tedy ve velkých místnostech. Kolik virů se dostane do vzduchu při různých typech roušek? Jak se chová proudění vzduchu v blízkosti osoby a jak moc se případně vydechnuté viry rozptýlí v čase po celé místnosti? „Vytváříme simulace různých měřítek, které můžeme podle otázky spojit do řetězce simulací,“ konkretizuje Grün.

Například Fraunhofer ITWM se v blízké simulaci věnuje především otázce, jak se mění koncentrace aerosolu v okolí nakažené osoby, pokud nosí různé roušky. Experimentální validační data o proudění vzduchu získali expertní týmy pomocí laserových řezů a techniky stínových obrazců na Fraunhofer EMI. Část Fraunhofer IBP spočívá v simulaci většího prostoru na delší časové období, například v kabinách letadel nebo výrobních halách. Aby mohly být simulace ověřeny, srovnávají je výzkumné týmy s měřicími daty z vlastního kabinového prostoru IBP, kde lze optimálně zkoumat vznikající proudění vzduchu. „V našich simulacích na Fraunhofer IBP sledujeme celý denní průběh. Simulace tedy samozřejmě nemůže být tak přesná jako u ostatních institucí, které se omezují na několik minut. Přesto je zde velká výhoda řetězce simulací: navzájem se doplňují a lze je spojit do smysluplného celku,“ říká Grün.

Simulace agentů zohledňuje pohyb

Ještě složitější je situace, pokud se lidé neomezují pouze na nehybné pobývání v místnostech, ale pohybují se v nich. To také zohlednili vědci z Fraunhofer – s pomocí nástroje pro simulaci agentů, který vyvinul Fraunhofer Singapur. Kdo kam běží? Na koho narazí? Fraunhofer IGD a Fraunhofer EMI zase dodávají odpovídající simulace proudění vzduchu v prostoru.

Jaké víření vzduchu vzniká pohybem? Aby bylo možné všechny tyto situace simulovat, chybí jednoduše výpočetní kapacita. Proto si Fraunhofer Austria vybírá reprezentativní situace pomocí metod strojového učení, které následně předává simulaci proudění vzduchu. Díky cílenému využití umělé inteligence se agenturní simulace proudění vzduchu stává zvládnutelnou. Jak se aerosoly šíří v supermarketu, kde se pohybují různí lidé, již konsorcium spočítalo na příkladu. Samozřejmě lze tento model přenést i na letadla, třídy a další prostory.

Ze simulací lze odvodit, jak se aerosoly rozptýlí v konkrétních místnostech. Kolik virů například vdechne osoba v letadle, pokud sedí o několik řad před nakaženým? Na základě dvou modelů rizika, které společně hodnotí Fraunhofer IFF a Fraunhofer ITEM, lze posoudit příslušné riziko nákazy a odhadnout vliv různých ochranných opatření. „Propojením různých modelů můžeme velmi dobře vidět, že například nošení roušek FFP2 v kabině letadla sníží expozici o více než 95 procent a tím i riziko nákazy,“ uvádí Grün jako jeden z příkladů výsledků. Přesné riziko samozřejmě závisí na různých faktorech: například na přesné vzdálenosti od nakažené osoby, počtu infekčních virů či délce pobytu v uzavřeném prostoru. Z dat hodnocení rizika pak vyplývají pro účastníky projektu vhodná hygienická opatření a jejich účinnost je ověřována. Technologie čištění vzduchu a ověřování jejich účinnosti jsou proto také součástí vývoje v rámci projektu AVATOR.