Friseur und das Virus

Wie Luftstrommanagement-Tools die Verbreitung von COVID-19 in geschlossenen Räumen reduzieren.

Es wird akzeptiert, dass die Ausbreitung des SARS-CoV-2-Virus in erster Linie von Mensch zu Mensch erfolgt, durch Tröpfchen und Aerosole, die von einer Person erzeugt werden, die hustet, niest oder sogar spricht.

Geschrieben von Krishnendu Sinha

Während sich die COVID-19-Pandemie in Indien ausbreitet, lag der Fokus auf der Entriegelung und Öffnung der Wirtschaft. Eine harte Realität hat begonnen, dass wir bis zur Entwicklung von Impfstoffen oder neuen Therapien lernen müssen, mit der Pandemie zu leben. Neben Veränderungen des Sozialverhaltens wie physischer Distanzierung und Maskennutzung wird die Nachrüstung von Arbeitsplätzen und Gemeinschaftsräumen wie Nachbarschaftsläden, Bürogebäuden und Klassenzimmern eine wichtige Rolle bei der Reduzierung des Risikos der Übertragung und Verbreitung des Coronavirus spielen.

Es wird akzeptiert, dass die Ausbreitung des SARS-CoV-2-Virus in erster Linie von Mensch zu Mensch erfolgt, durch Tröpfchen und Aerosole, die von einer Person erzeugt werden, die hustet, niest oder sogar spricht. Ein Tröpfchen, das normalerweise eine Größe von weniger als einem Millimeter hat, fällt schnell zu Boden, nachdem es aufgrund der Schwerkraft ausgestoßen wurde. Aerosolpartikel sind viel kleiner (bis zu einem Tausendstel Millimeter) und können in der Luft schweben, möglicherweise infektiöse Viruspartikel mit sich führen und von Menschen eingeatmet werden. Daher ist das Verständnis des Luftstroms und der Belüftung, insbesondere in geschlossenen Räumen, in denen Aerosole dazu neigen, zu verharren, ein wichtiger Aspekt bei der Kontrolle der Infektionsausbreitung.



Die Frage ist nun: Wie reduziert man das Risiko, sich in geschlossenen Räumen wie einem Nachbarschaftsladen oder einem Friseursalon mit COVID-19 zu infizieren? Ein Friseursalon hat einige einzigartige Herausforderungen. Kunden im Geschäft bleiben für die Dauer eines Haarschnitts an einem Ort sitzen, normalerweise 10-15 Minuten. Was beeinflusst die Ansteckungsgefahr in dieser Zeit? Natürlich ist die Maskenetikette, die vom Friseur und den anderen Kunden befolgt wird, wichtig, ebenso wie die physische Distanz zwischen den Kunden. Ebenso wichtig ist die Frage: Gibt es eine ausreichende Belüftung, um luftgetragene Tröpfchen und Aerosole zu verteilen? Vielleicht hat der Friseur selbst viele der gleichen Fragen im Kopf. Schließlich verbringt er in diesem geschlossenen Raum viel mehr Zeit als die Kunden.

Wir betrachten den Friseurladen auf dem Campus des IIT-Bombay, der von Dozenten und Studenten frequentiert wird (von denen die meisten derzeit ihre Ausbildung online von zu Hause aus fortsetzen). Der Campus-Friseursalon hat ein Layout, das vielleicht dem ähnelt, das man in den meisten städtischen Umgebungen des Landes antrifft. Der Shop besteht normalerweise aus einem geschlossenen Raum (in einigen Fällen klimatisiert – dies ist der Campus-Shop) und ist normalerweise nicht gut belüftet. Es hat zu jeder Zeit mehr als eine Handvoll Leute. Es gibt Kunden, die ein- und ausgehen, und die Einhaltung der sozialen Distanz ist eine Herausforderung. Kann in einem solchen Szenario die Steuerung des Luftstroms verwendet werden, um die Belüftung zu verbessern und das Risiko einer Übertragung durch die Luft zu verringern?

Technisch wird das Studium der Luftströmung als Strömungsmechanik bezeichnet und ist in vielen Bereichen von der Luft- und Raumfahrt über den Maschinenbau bis hin zur Astrophysik und Umwelt wichtig. Die Strömungsmechanik lehrt uns, wie die Luft in Durchgängen und um Hindernisse herum strömt. Die mathematischen Gleichungen der Strömungsmechanik sind bekannt, aber ihre Lösung ist sehr schwierig. Um den Luftstrom vorherzusagen, sind hochentwickelte Computersimulationen erforderlich, und dies bildet ein Studiengebiet namens Computational Fluid Dynamics. CFD kann uns sagen, wie sich die Luft im Friseursalon bewegt und wie die infektiösen Tröpfchen von den Strömungen mitgerissen werden. Es kann auch berechnen, wie der Luftstrom durch Lüfter, Fenster, Klimaanlage und viele andere Faktoren verändert werden kann.

CFD wurde bereits ausgiebig verwendet, um Luftströmungen in geschlossenen Räumen wie Eisenbahnabteilen, Büroräumen und Einkaufszentren zu untersuchen. Mehrere berichtete Studien befassen sich mit dem verbesserten menschlichen Komfort und der Reduzierung des Stromverbrauchs, beispielsweise durch eine bessere Auslegung von Klimaanlagen. In dieser Zeit, die unser Leben von COVID-19 dominiert, konzentrierten sich CFD-Studien auf die Wirkung von Masken (die zeigen, wie Masken die Anzahl der emittierten Tröpfchen und die Entfernung, die sie zurücklegen) und die Luftströmungen und die Aerosolübertragung in Super Märkte. Ein Bericht einer Gruppe in Hongkong hat gezeigt, wie sich die infektiösen Tröpfchen aus einer einzigen Quelle auf das gesamte Abteil einer Hochgeschwindigkeitsbahn ausbreiten können.

Insbesondere im Zusammenhang mit Friseursalons kann CFD verwendet werden, um Nachrüstlösungen zu entwickeln, um die Ausbreitung von Infektionen durch die Luft zu minimieren. Einfache Maßnahmen wie der Einbau von Abluftventilatoren oder auch ein einfacher Standventilator und das Öffnen der Hecktür (zum Glück haben wir einen im IITB Barber Shop) können einen großen Unterschied machen. Die Idee ist, Tröpfchen von einer potenziellen Quelle im Raum schnell nach außen zu verteilen, um das Risiko für den Friseur und andere Kunden zu minimieren. Einfache Berechnungen können uns bereits die Größe und Leistung von Abluftventilatoren sagen. Wenn wir beispielsweise eine typische Größe für einen Friseursalon von 3 x 4 x 3 m annehmen und die Luft im Raum jede Minute ersetzen möchten, werden Ventilatoren benötigt, die 1500 Kubikfuß Luft pro Minute absaugen können. oder 1500 cfm, wie es in den Abluftventilatorspezifikationen angegeben ist. Um es doppelt so schnell zu machen, können wir entweder zwei solcher Lüfter oder einen einzigen Abluftventilator mit 3000 cfm installieren.

Während einfache Berechnungen ein guter Ausgangspunkt sind, benötigt man für eine gründliche Analyse detaillierte CFDs. Abluftventilatoren können die natürliche Luftzirkulation im Raum entweder verstärken oder behindern. Daher ist es entscheidend, die genauen Strömungsmuster zu kennen, die durch den Abluftventilator erzeugt werden. Zum Beispiel kann es Sekundärluftströme geben, die manchmal als Totzonen bezeichnet werden, in denen Lufteinschlüsse für lange Zeit eingeschlossen bleiben können. Dadurch wird die Luft natürlich nicht aus dem Raum entlüftet und eine Person, die in einer solchen Totzone sitzt, ist anfälliger für das Einatmen von hartnäckigen Aerosolen. Die Platzierung von Ventilatoren und Belüftungsöffnungen, um solche toten Zonen im Friseursalon zu vermeiden, ist für das Luftstrommanagement von entscheidender Bedeutung. Wir brauchen CFD-Modelle, um tote Zonen in einem Raum zu identifizieren und auch um abzuschätzen, wie lange die Luft in solchen Taschen verweilt. Mithilfe von CFD können wir Ventilatoren und Lüftungsöffnungen in einem Computermodell des Raums anordnen, um die bestmögliche Lösung zu erzielen.

Es können auch Szenarien berechnet werden, in denen sich der Luftstrom ändert, wenn ein Kunde durch die Tür ein- oder austritt oder wenn plötzlich warmer Luftzug von außen kommt. CFD kann auch vorhersagen, wie sich die Dinge mit Wetter oder geografischen Standorten ändern. Die Gleichungen der Strömungsmechanik geben jedoch selbst modernen Computern nicht so leicht nach, da die Probleme immer komplexer werden. Beantworten Sie zum Beispiel eine einfältige Frage wie: Was passiert mit den Millionen Haarteilen auf dem Boden? können die Grenzen von Supercomputern erweitern. Das zu wissen, wird wirklich helfen, da niemand möchte, dass sie anfangen, herumzuschweben.

Retrofit-Lösungen, die mit CFD entworfen wurden, können auf andere geschlossene Räume wie Lebensmittelgeschäfte um die Ecke, kleine Restaurants und Arztpraxen ausgeweitet werden. Jeder kann seinen eigenen Weg haben, den Luftstrom zu steuern, um die Infektion zu reduzieren. CFD kann helfen, auf die jeweiligen Bedürfnisse zugeschnittene Nachrüstlösungen zu erarbeiten. Bei größeren Einrichtungen wie Hörsälen, Theatern und Einkaufszentren müssen wir mit viel mehr Menschen und mehreren Ein- und Ausgangsorten umgehen. Die Größe des Problems ist größer, aber die Wissenschaft ist dieselbe. Wir werden größere und mehr Lüfter und Belüftungsöffnungen brauchen, und CFD kann uns sagen, wo sie am effektivsten platziert werden können. Intelligente Lösungen mit Echtzeitdaten können möglicherweise auf die Anzahl der zu einem bestimmten Zeitpunkt anwesenden Personen abgestimmt werden. Dies kann in Bezug auf Stromverbrauch und Installation möglicherweise effizienter sein.

Eine Gruppe indischer Forscher namens Fluid Mechanics Research for COVID-19 (FMRC) hat sich zusammengetan, um die durch die Wiedereröffnung der Wirtschaft verursachten Flüssigkeitsströmungsprobleme anzugehen. Diese Gruppe umfasst Forscher aus verschiedenen IITs (IIT-Bombay, IIT-Madras, IIT-Roorkee) und aus der Industrie und zielt darauf ab, mithilfe fortschrittlicher Modellierungswerkzeuge Nachrüstlösungen vorzuschlagen, die dazu beitragen, das Risiko einer Infektionsübertragung zu verringern. Von besonderem Interesse für diese Gruppe sind Fragen der Flüssigkeitsströmung in geschlossenen Räumen, des öffentlichen Verkehrs und natürlich der Klassenzimmer.

Der Autor ist Professor für Luft- und Raumfahrttechnik, IIT Bombay