Aeroszolos nyomában

Kilégzés és beszéd közben különböző méretű cseppek és aeroszolok kerülnek kibocsátásra. A nagyobb cseppek (piros) lefelé süllyednek. A kisebb cseppek (sárga, zöld, kék) először felfelé emelkednek, mivel a testhőmérséklet által létrehozott feláramlási áramlat miatt. A különböző védőmaszk típusok különböző mértékben akadályozzák a terjedést. A kép a szimulációk összehasonlítását mutatja – egy részecskeszűrő maszk (FFP2/N95), egy orvosi sebészeti maszk, egy arcvédő pajzs és teljes védelem nélkül. © Fraunhofer ITWM

Szimulációs forgatókönyv repülőgép – hogyan terjednek az aeroszolok a fedélzeten? © Fraunhofer ITWM / Szimulációs forgatókönyv repülőgép – hogyan terjednek az aeroszolok a repülőgép kabinjában? © Fraunhofer ITWM

Fentről nézett kép egy szupermarket folyosóiról. A szimulált vásárlók útvonalai (trajectóriák) színes vonalakkal vannak ábrázolva, azonos színnel jelölve az egymáshoz hasonló trajektóriák csoportjait. A mesterséges intelligencia által készített reprezentatív trajektória, amely megkönnyíti a szimulációt, az adott csoportban fekete színnel van megjelenítve. © Fraunhofer Austria

Egy szimulációs forgatókönyv: Hogyan terjednek az aeroszolok egy repülőgépen belül? © Fraunhofer IBP / A szimulációs forgatókönyv: Hogyan terjednek az aeroszolok egy repülőgépen belül? © Fraunhofer IBP

Hogyan terjednek a fertőző aeroszolok a szupermarketekben, repülőgépeken és más beltéri helyiségekben, ahol sok ember találkozik egymással? Ezt vizsgálják kutatók 15 Fraunhofer-intézet és -intézmény részvételével az „AVATOR” nevű projektben.

A távolságtartás és a maszkviselés továbbra is fontos. Míg a fertőzés kockázata a szabadban viszonylag alacsony, beltéri helyiségekben könnyen felhalmozódhatnak a fertőző aeroszolok, és ez fertőzésekhez vezethet. Hogyan terjednek ezek az aeroszolok, és milyen magas a fertőzés kockázata repülőgépeken, szupermarketekben, osztálytermekben és hasonló helyeken?

Szimulációs lánc ahelyett, hogy egyedi szimulációkat végeznének

Ezt vizsgálják kutatók összesen 15 Fraunhofer-intézet és -intézmény részvételével, a Fraunhofer Épületfizikai Intézet (IBP) vezetésével az AVATOR projektben, röviden „Anti-Vírus-Aeroszol: Tesztelés, Működtetés, Csökkentés” néven. „Szimuláljuk és elemezzük, hogyan terjednek a vírusok beltéri helyiségekben, és hogyan lehet hatékonyan tisztítani a levegőt a térben” – mondja Prof. Dr. Gunnar Grün, a Fraunhofer IBP helyettes vezetője és a projekt összes vezetője. A különlegesség: a tudósok nem egyetlen szimulációs módszerrel dolgoznak, hanem különböző eljárásokkal és részletességi fokozatokkal készítenek szimulációkat a részt vevő intézetekben hosszabb időtartamokra. Ez kezdődik a fertőzött személy közvetlen közelében – vagyis a száj közelében – egészen a távoli térig, nagy helyiségekig. Hány vírus kerül különböző maszk típusok viselése esetén a levegőbe? Hogyan viselkedik a levegőmozgás egy személy közelében, és milyen mértékben oszlanak el esetleg kilélegzett vírusok az idő múlásával az egész térben? „Különböző skálázású szimulációkat készítünk, amelyeket a kérdés szerint összeállíthatunk egy szimulációs lánccá” – konkretizálja Grün.

Így például a Fraunhofer ITWM a közeli szimulációban különösen arra koncentrál, hogy hogyan változik a aeroszolkoncentráció egy fertőzött személy közvetlen környezetében, ha különböző maszkokat visel. A kísérleti validációs adatokat a légáramlási mezőre laser-vágás és szlierezés technikával mérte a Fraunhofer EMI szakértői csapata. A Fraunhofer IBP feladata a nagyobb léptékű szimuláció hosszabb időtartamokra, például repülőgépek kabinjában vagy gyártócsarnokokban. A szimulációk validálásához a kutatócsoportok összevetik azokat az IBP saját repülőgépkabinából származó mérési adatokkal, ahol az ott kialakuló légáramlásokat optimálisan vizsgálhatják. „A Fraunhofer IBP szimulációiban az egész napi folyamatot vizsgáljuk. Ezért a szimuláció természetesen nem lehet olyan pontos, mint a többi intézeté, amelyek néhány percre korlátozódnak. Azonban itt rejlik a szimulációs lánc nagy előnye: a szimulációk egymást kiegészítve értelmes módon kapcsolódnak össze. Mivel az átmenetek a szimulációk között összekapcsolhatók, a kapott képet hasznosan lehet bővíteni” – mondja Grün.

Ügynökszimuláció mozgást is figyelembe vesz

Az helyzet még bonyolultabbá válik, ha az emberek nemcsak mozdulatlanul tartózkodnak a helyiségekben, hanem mozognak is bennük. Ezt a Fraunhofer kutatók is figyelembe vették számításaikban – egy ügynök- eszközzel, amit a Fraunhofer Singapur fejlesztett ki. Ki merre sétál? Kit talál meg közben az illető? A Fraunhofer IGD és a Fraunhofer EMI pedig a megfelelő térbeli áramlás-szimulációkat biztosítják.

Milyen légörvények keletkeznek a mozgás során? Ennek szimulálásához minden találkozásnál egyszerűen nincs elegendő számítási kapacitás. Ezért a Fraunhofer Ausztria gépi tanulási módszerekkel választ ki reprezentatív helyzeteket, amelyeket aztán az áramlásszimulációkhoz továbbítanak. Ez a mesterséges intelligencia célzott alkalmazásával teszi kezelhetővé az ügynök-alapú áramlásszimulációt. Hogyan oszlanak el az aeroszolok egy olyan szupermarketben, ahol különböző emberek mozognak, már például kiszámították a konzorcium tagjai. Természetesen ez a modell átültethető repülőgépekre, osztálytermekre és más helyiségekre is.

A szimulációkból le lehet vonni, hogy egy adott helyiségben hogyan oszlanak el az aeroszolok. Például hány vírus lélegzik be egy személy a repülőgépen, ha egy fertőzött egy sorral előtte ül? Két kockázatmodell segítségével, amelyet a Fraunhofer IFF és a Fraunhofer ITEM közösen értékel, meg lehet becsülni az adott fertőzés kockázatát, és fel lehet mérni különböző védelmi intézkedések hatékonyságát. „A különböző modellek összekapcsolásával nagyon jól láthatjuk, hogy már az FFP2 maszk viselése egy repülőgép kabinjában több mint 95 százalékkal csökkenti a kitettséget, és így a fertőzés kockázatát” – említi Grün példaként az egyik eredményt. A pontos kockázat természetesen több tényezőtől függ: például a fertőzött személyhez való pontos távolságtól, a fertőző vírusok számától, valamint az ott tartózkodás időtartamától. A kockázatelemzési adatok alapján a projekt résztvevői hasznos higiéniai intézkedéseket javasolnak, és értékelik azok hatékonyságát. A légtisztító technológiák és azok hatékonyságának validálása szintén a projekt AVATOR fejlesztéseinek középpontjában állnak.