Berbernica i virus

Kako alati za upravljanje protokom vazduha smanjuju širenje COVID-19 u zatvorenim prostorima.

Prihvaćeno je da se širenje virusa SARS-CoV-2 prvenstveno odvija od osobe do osobe, putem kapljica i aerosola koje stvara osoba koja kašlje, kija ili čak priča.

Napisao Krishnendu Sinha

Kako se pandemija COVID-19 razvija u Indiji, fokus je bio na otključavanju i otvaranju ekonomije. Počela je da se nameće surova realnost da dok se ne razviju vakcine ili nove terapije, moraćemo da naučimo da živimo sa pandemijom. Osim promena u društvenom ponašanju kao što su fizičko distanciranje i upotreba maski, preuređenje radnih mesta i zajedničkih prostora, kao što su prodavnice u susedstvu, poslovne zgrade i učionice, igraće važnu ulogu u smanjenju rizika od prenošenja i širenja korona virusa.

Prihvaćeno je da se širenje virusa SARS-CoV-2 prvenstveno odvija od osobe do osobe, putem kapljica i aerosola koje stvara osoba koja kašlje, kija ili čak priča. Kapljica, obično veličine ispod milimetra ili veća, brzo pada na tlo nakon što se emituje usled gravitacije. Čestice aerosola su mnogo manje (koliko hiljaditi deo milimetra) i mogu ostati suspendovane u vazduhu, potencijalno noseći sa sobom čestice infektivnog virusa, a ljudi ih mogu udahnuti. Stoga je razumevanje protoka vazduha i ventilacije, posebno u zatvorenim prostorima gde aerosoli imaju tendenciju da se zadržavaju, ključni aspekt kontrole širenja infekcije.



Pitanje je sada: kako smanjiti rizik od zaraze COVID-19 u zatvorenim prostorima, poput prodavnice u susedstvu ili berbernice? Brijačnica ima neke jedinstvene izazove. Kupci u radnji ostaju sedeti na jednom mestu tokom šišanja, obično 10-15 minuta. Šta utiče na rizik od infekcije tokom ovog perioda? Svakako, važan je bonton maski koju prate berberin i ostale mušterije, kao i fizičko distanciranje između kupaca. Jednako važno je i pitanje: Da li postoji adekvatna ventilacija za raspršivanje kapljica i aerosola u vazduhu? Možda i sam berberin ima mnoga ista pitanja na umu. Na kraju krajeva, on provodi mnogo više vremena od kupaca u tom zatvorenom prostoru.

Smatramo berbernicu u kampusu IIT-Bombay, koju posećuju profesori i studenti (od kojih većina u ovom trenutku nastavlja školovanje onlajn, od kuće). Berbernica u kampusu ima izgled koji je možda sličan onome koji bi se sreo u većini urbanih sredina u zemlji. Prodavnica se obično sastoji od zatvorene prostorije (u nekim slučajevima je klimatizovana - to je slučaj sa radnjom u kampusu) i obično nije dobro provetrena. Ima više od šačice ljudi u bilo kom trenutku. Ima kupaca koji dolaze i izlaze, a održavanje socijalne distance je izazov. U takvom scenariju, da li se upravljanje protokom vazduha može koristiti za poboljšanje ventilacije i smanjenje rizika od prenosa vazdušnim putem?

U tehničkom smislu, proučavanje strujanja vazduha naziva se mehanika fluida i važno je u mnogim oblastima od vazduhoplovstva i mašinstva do astrofizike i životne sredine. Mehanika fluida nas uči kako vazduh struji u prolazima i oko prepreka. Matematičke jednačine mehanike fluida su dobro poznate, ali je njihovo rešavanje veoma teško. Za predviđanje protoka vazduha potrebne su visoko sofisticirane kompjuterske simulacije, a ovo predstavlja polje proučavanja koje se zove računarska dinamika fluida. CFD nam može reći kako se vazduh kreće u berbernici i kako se zarazne kapljice prenose okolo. Takođe može izračunati kako se protok vazduha može promeniti od strane ventilatora, prozora, klima uređaja i niza drugih faktora.

CFD se već uveliko koristi za proučavanje protoka vazduha u zatvorenim prostorima kao što su železnički kupei, kancelarijski prostori i tržni centri. Nekoliko prijavljenih studija bavi se poboljšanim ljudskim komforom i smanjenjem potrošnje energije, na primer, boljim dizajnom sistema za klimatizaciju. U ovim vremenima, u kojima našim životima dominira COVID-19, CFD studije su se fokusirale na efekat maski (pokazujući kako maske smanjuju broj emitovanih kapljica i razdaljinu koju putuju) i na protok vazduha i prenos aerosola u super tržišta. Izveštaj grupe u Hong Kongu pokazao je kako se zarazne kapljice iz jednog izvora mogu proširiti na ceo odeljak brze železnice.

Konkretno, u kontekstu berbernice, CFD se može koristiti za dizajniranje rešenja za naknadnu ugradnju kako bi se minimiziralo širenje infekcije vazdušnim putem. Jednostavne mere poput instaliranja izduvnih ventilatora ili čak jednostavnog ventilatora na postolju i otvaranja zadnjih vrata (na sreću, imamo ih u IITB berbernici) mogu napraviti veliku razliku. Ideja je da se kapljice brzo rasprše iz potencijalnog izvora unutar prostorije ka spolja kako bi se rizik za frizera i druge mušterije sveo na minimum. Jednostavne kalkulacije nam već mogu reći kolika je veličina i snaga koja je potrebna za ventilatore izduvnih gasova. Na primer, uz pretpostavku tipične veličine za berbernicu od 10 ft x 15 ft x 10 ft, ako želimo da zamenimo vazduh u prostoriji svakog minuta, biće potrebni ventilatori koji mogu da isišu 1500 kubnih stopa vazduha u minuti, ili 1500 cfm kako je dato u specifikacijama izduvnog ventilatora. Da bismo to uradili duplo brže, možemo da instaliramo dva takva ventilatora ili jedan izduvni ventilator od 3000 cfm.

Dok su jednostavne kalkulacije dobra polazna tačka, za rigoroznu analizu je potreban detaljan CFD. Izduvni ventilatori mogu ili povećati prirodnu cirkulaciju vazduha u prostoriji ili je mogu ometati. Poznavanje preciznih obrazaca protoka koje stvara izduvni ventilator stoga postaje kritično. Na primer, mogu postojati sekundarni tokovi vazduha, ponekad poznati kao mrtve zone, gde džepovi vazduha mogu ostati zarobljeni dugo vremena. Naravno, ovo ne ispušta vazduh iz prostorije i osoba koja sedi u takvoj mrtvoj zoni je sklonija da udiše uporne aerosole. Postavljanje ventilatora i ventilacionih otvora kako bi se izbegle takve mrtve zone u berbernici je kritično za upravljanje protokom vazduha. Potrebni su nam CFD modeli da identifikujemo mrtve zone u prostoriji i da damo procenu koliko dugo se vazduh zadržava u takvim džepovima. Koristeći CFD, možemo urediti ventilatore i ventilacione otvore u kompjuterskom modelu prostorije kako bismo došli do najboljeg mogućeg rešenja.

Mogu se izračunati i scenariji u kojima se protok vazduha menja kada kupac ulazi ili izlazi kroz vrata, ili kada dođe do iznenadne promaje toplog vazduha spolja. CFD takođe može predvideti kako se stvari menjaju sa vremenom ili geografskim lokacijama. Međutim, jednačine mehanike fluida ne popuštaju tako lako čak ni savremenim računarima jer problemi postaju sve složeniji. Na primer, odgovaranje na prostodušno pitanje kao što je šta se dešava sa milionima kose na podu? može proširiti granice super računara. Saznanje o tome će zaista pomoći jer niko ne želi da počnu da lebde okolo.

Rešenja za naknadnu ugradnju dizajnirana pomoću CFD-a mogu se proširiti na druge zatvorene prostore kao što su prodavnice prehrambenih proizvoda na uglu, mali restorani i lekarske klinike. Svako može imati svoj način upravljanja protokom vazduha kako bi se smanjila infekcija. CFD može pomoći u izradi rešenja za naknadnu ugradnju prilagođenih njihovim potrebama. Za veće postavke kao što su sale za predavanja, pozorišta i tržni centri, moramo da radimo sa mnogo više ljudi i više ulaznih i izlaznih lokacija. Veličina problema je veća, ali nauka je ista. Biće nam potrebni veći i više ventilatora i ventilacionih otvora, a CFD nam može reći gde je najefikasnije da ih postavimo. Pametna rešenja, sa podacima u realnom vremenu, mogu da se podese na broj ljudi prisutnih u datom trenutku. Ovo potencijalno može biti efikasnije u smislu potrošnje energije i instalacije.

Grupa indijskih istraživača pod nazivom Fluid Mechanics Research for COVID-19 (FMRC) okupila se kako bi se pozabavila problemima protoka tečnosti koje predstavlja ponovno otvaranje ekonomije. Ova grupa uključuje istraživače iz različitih IIT-a (IIT-Bombaj, IIT-Madras, IIT-Roorkee) i iz industrije, i ima za cilj da koristi napredne alate za modeliranje kako bi predložila rešenja za naknadnu ugradnju koja će pomoći u smanjenju rizika od prenošenja infekcije. Od posebnog interesa za ovu grupu su pitanja koja se odnose na protok tečnosti u zatvorenim prostorijama, javni prevoz i, naravno, učionice.

Pisac je profesor vazduhoplovnog inženjerstva, IIT Bombaj