Aerozole na tropie

Podczas wydychania i mówienia wydostają się krople i aerozole o różnych rozmiarach. Większe krople (czerwone) opadają na dół. Mniejsze krople (żółte, zielone, niebieskie) najpierw unoszą się do góry, ponieważ ciepło ciała tworzy prąd wyporu. Różne typy masek ochronnych zapobiegają rozprzestrzenianiu się w różnym stopniu. Obraz przedstawia symulacje w porównaniu – maska filtrująca cząsteczki (FFP2/N95), maseczka chirurgiczna, osłona twarzy (facedshield) i brak ochrony. © Fraunhofer ITWM

Symulacyjny scenariusz lotniczy – jak rozprzestrzeniają się aerozole w kabinie samolotu? © Fraunhofer ITWM / Simulation scenario aircraft - how do aerosols spread in the aircraft cabin? © Fraunhofer ITWM

Widok z góry na alejki supermarketu. Ścieżki (trajectorie) symulowanych klientów są przedstawione jako kolorowe linie, a skupiska podobnych trajektorii w tym samym kolorze. Reprezentatywna trajektoria, stworzona za pomocą sztucznej inteligencji, która ułatwia obliczenia, jest pokazana na czarno dla danego skupiska. © Fraunhofer Austria

Symulacyjny scenariusz: Jak rozprzestrzeniają się aerozole w samolocie? © Fraunhofer IBP / A simulation scenario: How do aerosols spread inside an aircraft? © Fraunhofer IBP

Jak rozprzestrzeniają się zakaźne aerozole w supermarketach, samolotach i innych pomieszczeniach zamkniętych, w których spotyka się wiele osób? Badania prowadzą naukowcy z 15 instytutów i placówek Fraunhofer w ramach projektu „AVATOR”.

Trzymanie dystansu i noszenie masek nadal są zalecane. Podczas gdy ryzyko zakażenia na zewnątrz jest dość niskie, zakaźne aerozole mogą się łatwo gromadzić w pomieszczeniach zamkniętych i prowadzić do zakażeń. Jak rozprzestrzeniają się te aerozole i jak wysokie jest ryzyko zakażenia w samolotach, supermarketach, salach lekcyjnych i innych?

Łańcuch symulacji zamiast pojedynczych symulacji

Badania te prowadzą naukowcy z 15 instytutów i placówek Fraunhofer pod kierownictwem Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP w ramach projektu AVATOR, skrót od „Anti-Virus-Aerosol: Testing, Operation, Reduction”. „Symulujemy i analizujemy, jak wirusy rozprzestrzeniają się w pomieszczeniach i w jaki sposób można skutecznie oczyszczać powietrze w pomieszczeniach”, mówi prof. dr Gunnar Grün, zastępca kierownika Fraunhofer IBP i kierownik projektu. Co wyróżnia ten projekt: naukowcy nie korzystają z jednej metody symulacji, lecz tworzą symulacje w różnych instytutach za pomocą różnych metod i poziomów szczegółowości na przestrzeni dłuższych okresów czasu. Zaczyna się od bezpośredniego otoczenia osoby zarażonej – czyli blisko ust – aż po odległe przestrzenie, takie jak duże pomieszczenia. Ile wirusów dostaje się do powietrza w zależności od typu maski? Jak zachowuje się przepływ powietrza w pobliżu osoby i w jakim stopniu wydychane wirusy rozprzestrzeniają się w czasie po całym pomieszczeniu? „Tworzymy symulacje o różnych skalach, które można łączyć w łańcuch symulacji w zależności od pytania badawczego”, wyjaśnia Grün.

Na przykład Fraunhofer ITWM zajmuje się w symulacji bliskiej głównie pytaniem, jak zmienia się stężenie aerozoli w otoczeniu osoby zarażonej, gdy ta nosi różne maski. Dane walidacyjne dotyczące pola przepływu uzyskują zespoły ekspertów za pomocą technik laserowego cięcia i pomiarów schlieren na Fraunhofer EMI. Zadaniem Fraunhofer IBP jest natomiast symulacja dużych przestrzeni na dłuższy czas, na przykład kabin samolotów lub hal produkcyjnych. Aby zweryfikować symulacje, zespoły badawcze porównują je z danymi pomiarowymi z własnej kabiny samolotu IBP, w której można najlepiej badać przepływy powietrza. „W naszych symulacjach w IBP rozpatrujemy cały przebieg dnia. Symulacja nie może być oczywiście tak dokładna jak ta z innych instytutów, które ograniczają się do kilku minut. Jednak właśnie tutaj tkwi główna zaleta łańcucha symulacji: symulacje uzupełniają się w sensowny sposób. Ponieważ można łączyć przejścia między symulacjami, można poszerzyć uzyskany obraz w sposób korzystny”, mówi Grün.

Symulacja agentów uwzględnia ruch

Sytuacja staje się jeszcze bardziej skomplikowana, gdy ludzie nie tylko pozostają nieruchomo w pomieszczeniach, ale także się po nich poruszają. Fraunhofer uwzględnił to w swoich obliczeniach – za pomocą narzędzia agentowego, które opracował Fraunhofer Singapur. Kto i gdzie się porusza? Kogo napotka ta osoba? Fraunhofer IGD i Fraunhofer EMI dostarczają odpowiednie symulacje przepływu powietrza w pomieszczeniach.

Jakie wiry powietrza powstają w wyniku ruchu? Aby symulować to dla wszystkich spotkań, brakuje po prostu mocy obliczeniowej. Dlatego Fraunhofer Austria wybiera za pomocą metod uczenia maszynowego reprezentatywne sytuacje, które następnie przekazuje do symulacji przepływu. Dzięki celowemu wykorzystaniu sztucznej inteligencji symulacja przepływu agentów staje się możliwa do opanowania. Już wcześniej konsorcjum obliczyło, jak rozkładają się aerozole w supermarkecie, w którym poruszają się różne osoby. Oczywiście, model można również zastosować do samolotów, sal lekcyjnych i innych pomieszczeń.

Na podstawie symulacji można wyciągnąć wnioski dotyczące rozkładu aerozoli w konkretnych pomieszczeniach. Na przykład, ile wirusów wdycha osoba w samolocie, gdy osoba zarażona siedzi kilka rzędów przed nią? Na podstawie dwóch modeli ryzyka, ocenianych wspólnie przez Fraunhofer IFF i Fraunhofer ITEM, można ocenić ryzyko zakażenia i oszacować wpływ różnych środków ochronnych. „Dzięki połączeniu różnych modeli możemy bardzo dobrze zobaczyć, że już noszenie masek FFP2 w kabinie samolotu zmniejsza narażenie o ponad 95 procent, a co za tym idzie, ryzyko zakażenia”, podaje Grün jako jeden z przykładów wyników. Dokładne ryzyko zależy oczywiście od różnych czynników: od dokładnej odległości od osoby zarażonej, liczby zakaźnych wirusów oraz czasu przebywania w pomieszczeniu. Na podstawie danych oceny ryzyka projektanci wyciągają wnioski dotyczące skutecznych środków higieny i sprawdzają ich skuteczność. Technologie oczyszczania powietrza i weryfikacji ich skuteczności są zatem równie ważne w rozwoju projektu AVATOR.