Aérosols sur la piste

Lors de l'expiration et de la parole, des gouttelettes et des aérosols de différentes tailles sont expulsés. Les plus grosses gouttelettes (rouges) tombent vers le sol. Les plus petites gouttelettes (jaunes, vertes, bleues) montent d'abord, car la chaleur corporelle crée un courant ascendant. Différents types de protections faciales empêchent la propagation dans une mesure variable. L'image montre les simulations en comparaison – un masque filtrant les particules (FFP2/N95), un masque médical (masque chirurgical), une visière faciale (visière de protection) et aucune protection. © Fraunhofer ITWM

Scénario de simulation Avion – comment se répartissent les aérosols dans l'intérieur ? © Fraunhofer ITWM / Scénario de simulation avion – comment les aérosols se propagent-ils dans la cabine ? © Fraunhofer ITWM

Vue de dessus sur les allées d'un supermarché. Les trajets (trajectoires) des clients simulés sont représentés par des lignes colorées, avec des regroupements de trajectoires similaires en couleur identique. La trajectoire représentative, créée par intelligence artificielle pour faciliter la simulation, est affichée en noir pour le cluster correspondant. © Fraunhofer Austria

Un scénario de simulation : Comment se répartissent les aérosols dans un avion ? © Fraunhofer IBP / A simulation scenario: How do aerosols spread inside an aircraft? © Fraunhofer IBP

Comment se propagent les aérosols infectieux dans les supermarchés, les avions et autres espaces intérieurs où de nombreuses personnes se rencontrent ? Des chercheurs et chercheuses de 15 instituts et établissements du Fraunhofer étudient cela dans le cadre du projet « AVATOR ».

Respecter la distance et porter un masque restent d'actualité. Alors que le risque de contamination en extérieur est relativement faible, les aérosols infectieux peuvent s'accumuler facilement dans les espaces intérieurs et entraîner des contaminations. Comment ces aérosols se propagent-ils, et quel est le risque de transmission dans les avions, supermarchés, salles de classe et autres lieux ?

Chaîne de simulations plutôt que simulations isolées

Ce sujet est étudié par des chercheurs et chercheuses de 15 instituts et établissements du Fraunhofer, sous la direction de l'Institut Fraunhofer pour la Physique du Bâtiment IBP, dans le cadre du projet AVATOR, abrégé de « Anti-Virus-Aerosol : Testing, Operation, Reduction ». « Nous simulons et analysons comment les virus se propagent dans les espaces intérieurs et comment il est possible de purifier efficacement l'air ambiant », explique le Prof. Dr. Gunnar Grün, directeur adjoint de l'IBP et chef de projet global. La particularité : les scientifiques ne travaillent pas avec une seule méthode de simulation, mais créent des simulations à l'aide de différentes techniques et degrés de détail dans les instituts participants sur de longues périodes. Cela commence au niveau immédiat du champ proche d'une personne infectée — c'est-à-dire près de la bouche — et va jusqu'au champ lointain, c'est-à-dire dans de grands espaces. Combien de virus se dispersent dans l'air selon différents types de masques ? Comment le flux d'air se comporte-t-il à proximité d'une personne, et dans quelle mesure les virus expirés se répartissent-ils éventuellement dans la pièce au fil du temps ? « Nous créons des simulations de différentes échelles, que nous pouvons assembler en une chaîne de simulations selon la question posée », précise Grün.

Par exemple, le Fraunhofer ITWM se consacre dans la simulation de proximité à la question de savoir comment la concentration d'aérosols change dans l'environnement immédiat d'une personne infectée lorsqu'elle porte différents masques. Les données de validation expérimentale du champ de flux ont été recueillies par des équipes d'experts à l'aide de techniques de coupe laser et de schlieren au Fraunhofer EMI. La partie de l'IBP consiste quant à elle en la simulation à grande échelle sur de longues périodes, par exemple dans des cabines d'avion ou des halls de production. Pour valider ces simulations, les équipes de recherche les comparent aux données de mesure provenant de la cabine d'avion propre à l'IBP, où il est possible d'étudier de manière optimale les flux d'air ambiant. « Dans nos simulations à l'IBP, nous considérons toute la journée. La simulation ne peut donc pas être aussi précise que celles des autres instituts, qui se limitent à quelques minutes. Mais c'est justement ici que réside le grand avantage de la chaîne de simulations : elles se complètent de manière cohérente. Comme les transitions entre les simulations peuvent être reliées, il est possible d'élargir utilement l'image obtenue », explique Grün.

Simulation par agent prenant en compte le mouvement

La situation devient encore plus complexe lorsque les personnes ne restent pas immobiles dans les espaces, mais se déplacent. Les chercheurs et chercheuses du Fraunhofer ont également pris cela en compte dans leurs calculs — avec un outil d'agents développé par Fraunhofer Singapour. Qui marche où ? Sur qui la personne rencontre-t-elle ? Le Fraunhofer IGD et le Fraunhofer EMI fournissent quant à eux les simulations de flux d'air dans l'espace.

Quels tourbillons d'air se produisent lors des déplacements ? Pour simuler cela pour toutes les rencontres, il manque simplement la capacité de calcul. C'est pourquoi Fraunhofer Autriche sélectionne, à l'aide de méthodes d'apprentissage automatique, des situations représentatives qui sont ensuite transmises à la simulation de flux. Grâce à cette utilisation ciblée de l'intelligence artificielle, la simulation de flux basée sur les agents devient alors gérable. La répartition des aérosols dans un supermarché où différentes personnes se déplacent a déjà été calculée à titre d'exemple par le consortium. Bien entendu, ce modèle peut également être appliqué aux avions, salles de classe et autres espaces.

Les simulations permettent de déduire comment les aérosols se répartissent dans des espaces spécifiques. Par exemple, combien de virus une personne à bord d'un avion inhale-t-elle si une personne infectée se trouve quelques rangées devant ? À partir de deux modèles de risque, évalués conjointement par le Fraunhofer IFF et le Fraunhofer ITEM, il est possible d'estimer le risque d'infection et d'évaluer l'effet de différentes mesures de protection. « En reliant ces différents modèles, nous pouvons très bien constater que le port de masques FFP2 dans une cabine d'avion réduit l'exposition de plus de 95 %, et donc aussi le risque d'infection », cite Grün comme exemple d'une des conclusions. Le risque précis dépend bien sûr de plusieurs facteurs : la distance exacte par rapport à la personne infectée, le nombre de virus infectieux, ainsi que la durée de séjour dans l'espace intérieur. À partir des données de l'évaluation des risques, les partenaires du projet en déduisent des mesures d'hygiène pertinentes et en vérifient l'efficacité. Les technologies de purification de l'air et la validation de leur efficacité sont également au centre des développements du projet AVATOR.