Frisørsalong og viruset

Hvordan luftstrømstyringsverktøy reduserer spredningen av COVID-19 i lukkede rom.

Det er akseptert at spredningen av SARS-CoV-2-viruset hovedsakelig skjer fra person til person, gjennom dråper og aerosoler som genereres av en person som hoster, nyser eller til og med snakker.

Skrevet av Krishnendu Sinha

Mens COVID-19-pandemien utspiller seg i India, har fokuset vært på å låse opp og åpne opp økonomien. En tøff virkelighet har begynt å sette inn at inntil vaksiner eller nye terapier er utviklet, må vi lære å leve med pandemien. Bortsett fra endringer i sosial atferd som fysisk distansering og maskebruk, vil ettermontering av arbeidsplasser og fellesrom, som nabolagsbutikker, kontorbygg og klasserom, spille en viktig rolle i å redusere risikoen for overføring og spredning av koronaviruset.

Det er akseptert at spredningen av SARS-CoV-2-viruset hovedsakelig skjer fra person til person, gjennom dråper og aerosoler som genereres av en person som hoster, nyser eller til og med snakker. En dråpe, vanligvis under millimeter i størrelse eller større, faller raskt til bakken etter at den slippes ut på grunn av tyngdekraften. Aerosolpartikler er mye mindre (så små som en tusendels millimeter) og kan forbli suspendert i luften, potensielt bære smittsomme viruspartikler med seg, og kan pustes inn av mennesker. Derfor er forståelse av luftstrøm og ventilasjon, spesielt i lukkede rom der aerosoler har en tendens til å vedvare, et nøkkelaspekt for å kontrollere smittespredningen.



Spørsmålet er nå: Hvordan reduserer man risikoen for å få COVID-19 i lukkede rom, som en nabolagsbutikk eller en frisørsalong? En frisørsalong har noen unike utfordringer. Kunder i butikken blir sittende på ett sted så lenge en hårklipp varer, vanligvis 10-15 minutter. Hva påvirker risikoen for infeksjon i løpet av denne tiden? Visst er maskeetikett etterfulgt av frisøren og de andre kundene viktig, og det samme er fysisk avstand mellom kundene. Like viktig er spørsmålet: Er det tilstrekkelig ventilasjon for å spre luftbårne dråper og aerosoler? Kanskje har frisøren selv mange av de samme spørsmålene på hjertet. Tross alt tilbringer han mye mer tid enn kundene i det lukkede rommet.

Vi vurderer frisøren på IIT-Bombay campus, som besøkes av fakultetet og studenter (hvorav de fleste fortsetter sin utdanning på nettet, hjemmefra, på dette tidspunktet). Campus frisørsalongen har en layout som kanskje ligner på det man ville møte i de fleste urbane omgivelser i landet. Butikken består vanligvis av et lukket rom (i noen tilfeller med klimaanlegg - dette er tilfellet for campusbutikken) og er vanligvis ikke godt ventilert. Den har mer enn en håndfull mennesker til enhver tid. Det er kunder som kommer inn og går ut, og det er utfordrende å opprettholde sosial avstand. I et slikt scenario, kan styring av luftstrømmen brukes til å forbedre ventilasjonen og redusere risikoen for luftbåren overføring?

I tekniske termer kalles studiet av luftstrøm fluidmekanikk og det er viktig på mange felt fra romfart og maskinteknikk til astrofysikk og miljø. Væskemekanikk lærer oss hvordan luften strømmer i passasjer og rundt hindringer. De matematiske ligningene til fluidmekanikk er velkjente, men å løse dem er svært vanskelig. Svært sofistikerte datasimuleringer kreves for å forutsi luftstrømmen, og dette utgjør et studiefelt som kalles computational fluid dynamics. CFD kan fortelle oss hvordan luften beveger seg rundt i frisørens butikk og hvordan de smittsomme dråpene bæres rundt av strømmene. Den kan også beregne hvordan luftstrømmen kan endres av vifter, vinduer, klimaanlegg og en rekke andre faktorer.

CFD har allerede blitt brukt mye for å studere luftstrøm i lukkede rom som jernbanekupéer, kontorlokaler og kjøpesentre. Flere rapporterte studier omhandler forbedret menneskelig komfort og redusert strømforbruk, for eksempel ved bedre design av klimaanlegg. I disse tider, dominert som livene våre er av COVID-19, har CFD-studier fokusert på effekten av masker (som viser hvordan masker reduserer antall dråper som slippes ut og avstanden de reiser) og av luftstrømmer og aerosoloverføring i super markeder. En rapport fra en gruppe i Hong Kong har vist hvordan de smittsomme dråpene fra en enkelt kilde kan spre seg til hele kupeen på en høyhastighetsjernbane.

Nærmere bestemt, i forbindelse med frisørsalongen, kan CFD brukes til å designe ettermonteringsløsninger for å minimere luftbåren smittespredning. Enkle tiltak som å installere avtrekksvifter eller til og med en enkel pidestallvifte og åpne bakdøren (heldigvis har vi en på IITB frisørsalong) kan gjøre en stor forskjell. Tanken er å raskt spre dråper fra en potensiell kilde inne i rommet til utsiden for å minimere risikoen for frisøren og andre kunder. Enkle beregninger kan allerede fortelle oss størrelsen og effekten som kreves av avtrekksvifter. Hvis vi for eksempel antar en typisk størrelse for en frisørsalong på 10 fot x 15 fot x 10 fot, hvis vi ønsker å bytte ut luften i rommet hvert minutt, vil det kreve vifter som kan suge ut 1500 kubikkfot luft per minutt, eller 1500 cfm som det er gitt i spesifikasjoner for avtrekksvifte. For å gjøre det dobbelt så raskt kan vi enten installere to slike vifter, eller en enkelt avtrekksvifte på 3000 cfm.

Selv om enkle beregninger er et godt utgangspunkt, trenger man detaljert CFD for grundig analyse. Avtrekksvifter kan enten øke den naturlige luftsirkulasjonen i rommet, eller de kan hindre den. Å kjenne de nøyaktige strømningsmønstrene som skapes av avtrekksviften blir derfor kritisk. For eksempel kan det være sekundære luftstrømmer, noen ganger kjent som døde soner, hvor luftlommer kan holde seg innestengt i lang tid. Naturligvis ventilerer dette ikke luften ut av rommet, og en person som sitter i en slik død sone er mer utsatt for å puste inn vedvarende aerosoler. Plasseringen av vifter og ventiler for å unngå slike dødsoner i frisøren er avgjørende for luftstrømstyringen. Vi trenger CFD-modeller for å identifisere døde soner i et rom og også for å gi et estimat på hvor lenge luften dveler rundt i slike lommer. Ved hjelp av CFD kan vi arrangere vifter og ventiler i en datamodell av rommet for å komme frem til best mulig løsning.

Scenarier der luftstrømmen endres når en kunde kommer inn eller går gjennom døren, eller når det plutselig kommer et trekk av varm luft utenfra kan også beregnes. CFD kan også forutsi hvordan ting endres med vær eller geografiske steder. Likningene til fluidmekanikk gir seg imidlertid ikke så lett for selv dagens datamaskiner ettersom problemene begynner å bli stadig mer komplekse. For eksempel å svare på et enkelt spørsmål som hva som skjer med de millioner av hårbiter på gulvet? kan strekke grensene for superdatamaskiner. Å vite det vil virkelig hjelpe ettersom ingen vil at de skal begynne å flyte rundt.

Ettermonteringsløsninger designet med CFD kan utvides til andre lukkede rom som dagligvarebutikker på hjørnet, små spisesteder og legeklinikker. Hver kan ha sin egen måte å styre luftstrømmen for å redusere infeksjonen. CFD kan hjelpe med å utarbeide ettermonteringsløsninger som er skreddersydd for deres respektive behov. For større oppsett som forelesningssaler, teatre og kjøpesentre, må vi håndtere mange flere mennesker og flere inn- og utgangssteder. Størrelsen på problemet er større, men vitenskapen er den samme. Vi vil trenge større og flere vifter og ventiler, og CFD kan fortelle oss hvor det er mest effektivt å plassere dem. Smarte løsninger, med sanntidsdata, kan muligens justeres til antall personer tilstede på et gitt tidspunkt. Dette kan potensielt være mer effektivt med tanke på strømforbruk og installasjon.

En gruppe indiske forskere kalt Fluid Mechanics Research for COVID-19 (FMRC) har kommet sammen for å løse væskestrømproblemene som er forårsaket av gjenåpningen av økonomien. Denne gruppen involverer forskere fra forskjellige IIT-er (IIT-Bombay, IIT-Madras, IIT-Roorkee) og fra industrien, og har som mål å bruke avanserte modelleringsverktøy for å foreslå ettermonteringsløsninger som vil bidra til å redusere risikoen for overføring av infeksjon. Av spesiell interesse for denne gruppen er spørsmål knyttet til væskestrømmer i lukkede rom, offentlig transport og selvfølgelig klasserom.

Forfatteren er professor i luftfartsteknikk, IIT Bombay