Aerosol sulla traccia

Durante l'espirazione e il parlare vengono espulse gocce e aerosol di diverse dimensioni. Le gocce più grandi (rosse) affondano verso il basso. Le gocce più piccole (gialle, verdi, blu) inizialmente salgono verso l'alto, poiché il calore corporeo crea una corrente di galleggiamento. Diversi tipi di mascherine protettive impediscono la diffusione in misura diversa. L'immagine mostra le simulazioni a confronto – una maschera filtrante (FFP2/N95), una mascherina chirurgica, una visiera protettiva e nessuna protezione. © Fraunhofer ITWM

Scenario di simulazione aereo – come si distribuiscono gli aerosol all’interno della cabina? © Fraunhofer ITWM / Simulation scenario aircraft - how do aerosols spread in the aircraft cabin? © Fraunhofer ITWM

Vista dall'alto dei corridoi di un supermercato. I percorsi (traiettorie) dei clienti simulati sono rappresentati come linee colorate, con cluster di traiettorie simili mostrati nello stesso colore. La traiettoia rappresentativa creata dall'intelligenza artificiale, che semplifica il calcolo, è mostrata in nero per il rispettivo cluster. © Fraunhofer Austria

Uno scenario di simulazione: Come si distribuiscono gli aerosol all'interno di un aereo? © Fraunhofer IBP / A simulation scenario: How do aerosols spread inside an aircraft? © Fraunhofer IBP

Come si diffondono gli aerosol infettivi nei supermercati, negli aerei e in altri ambienti chiusi dove molte persone si incontrano? Questo è oggetto di studio di ricercatori provenienti da 15 istituti e strutture Fraunhofer nel progetto »AVATOR«.

Rimanere a distanza e indossare le mascherine sono ancora raccomandati. Mentre il rischio di contagio all'aperto è piuttosto basso, gli aerosol infettivi possono facilmente accumularsi negli ambienti chiusi e portare a infezioni. Come si diffondono questi aerosol e qual è il rischio di contagio in aerei, supermercati, aule e altri spazi?

Catena di simulazione invece di singole simulazioni

Questo è oggetto di studio di ricercatori provenienti da 15 istituti e strutture Fraunhofer sotto la guida dell'Istituto Fraunhofer per la fisica edilizia IBP nel progetto AVATOR, abbreviazione di »Anti-Virus-Aerosol: Testing, Operation, Reduction«. «Simuliamo e analizziamo come si diffondono i virus negli ambienti interni e in che modo è possibile pulire efficacemente l'aria degli ambienti», afferma il Prof. Dr. Gunnar Grün, vice direttore dell'IBP Fraunhofer e coordinatore del progetto complessivo. La particolarità: i ricercatori non lavorano con un singolo metodo di simulazione, ma creano simulazioni presso gli istituti coinvolti utilizzando diverse tecniche e livelli di dettaglio nel corso di lunghi periodi. Questo inizia dal campo immediatamente vicino a una persona infetta — quindi vicino alla bocca — fino al campo lontano, cioè in grandi ambienti. Quante particelle virali vengono rilasciate nell'aria in base al tipo di maschera indossata? Come si comporta il flusso d'aria vicino a una persona e in che misura si distribuiscono nel tempo i virus eventualmente espirati in tutto l'ambiente? «Creiamo simulazioni di diverse scale, che possiamo combinare in una catena di simulazione a seconda della domanda», spiega Grün.

Ad esempio, il Fraunhofer ITWM si occupa nella simulazione ravvicinata di come varia la concentrazione di aerosol nell'ambiente immediatamente vicino a una persona infetta quando indossa diverse maschere. I dati di validazione sperimentale sul campo di flusso sono stati raccolti da team di esperti tramite tecniche di sezionamento laser e di schlieren presso l'EMI Fraunhofer. La parte dell'IBP Fraunhofer riguarda invece le simulazioni di grandi ambienti su lunghi periodi, come cabine di aerei o capannoni di produzione. Per convalidare le simulazioni, i team di ricerca le confrontano con dati di misurazione provenienti dalla cabina di volo dell'IBP, dove è possibile studiare in modo ottimale i flussi d'aria. «Nelle nostre simulazioni presso l'IBP Fraunhofer consideriamo l'intera giornata. La simulazione, quindi, non può essere ovviamente precisa quanto quella di altri istituti, limitata a pochi minuti. Tuttavia, questa è la grande forza della catena di simulazione: le simulazioni si integrano in modo sensato. Poiché i passaggi tra le simulazioni possono essere collegati, si può ampliare l'immagine ottenuta in modo vantaggioso», spiega Grün.

Simulazione agenti che considera il movimento

La situazione diventa ancora più complessa quando le persone non stanno semplicemente ferme negli ambienti, ma si muovono. Anche questo è stato considerato dai ricercatori Fraunhofer nei loro calcoli — utilizzando uno strumento di agenti sviluppato da Fraunhofer Singapore. Chi cammina dove? Chi incontra la persona? Il Fraunhofer IGD e il Fraunhofer EMI forniscono invece le simulazioni di flusso d'aria ambientale corrispondenti.

Quali turbolenze dell'aria si generano con il movimento? Per simulare tutte le interazioni, manca semplicemente la capacità di calcolo. Per questo, Fraunhofer Austria utilizza metodi di apprendimento automatico per selezionare situazioni rappresentative, che vengono poi trasmesse alle simulazioni di flusso. Grazie a questo uso mirato dell'intelligenza artificiale, la simulazione di flusso basata su agenti diventa gestibile. Come si distribuiscono gli aerosol in un supermercato in cui si muovono diverse persone, è stato già calcolato come esempio dal consorzio. Naturalmente, il modello può essere applicato anche ad aerei, aule e altri ambienti.

Dalle simulazioni si può dedurre come si distribuiscono gli aerosol in ambienti specifici. Ad esempio, quante particelle virali inala una persona su un aereo se un infetto si trova qualche fila più avanti? Con due modelli di rischio, valutati congiuntamente dall'Istituto Fraunhofer IFF e dall'ITEM Fraunhofer, è possibile stimare il rischio di infezione e valutare l'efficacia di diverse misure di protezione. «Collegando i vari modelli, possiamo facilmente capire che anche indossare una mascherina FFP2 in cabina aerea riduce l'esposizione di oltre il 95% e, di conseguenza, anche il rischio di infezione», cita Grün come esempio di uno dei risultati. Il rischio esatto, naturalmente, dipende da diversi fattori: la distanza precisa dalla persona infetta, il numero di virus infettivi e la durata della permanenza nell'ambiente interno. Dai dati della valutazione del rischio, i partecipanti al progetto traggono indicazioni utili per le misure igieniche e ne verificano l'efficacia. Tecnologie di purificazione dell'aria e di validazione della loro efficacia sono quindi al centro anche degli sviluppi del progetto AVATOR.