La barberia i el virus

Com les eines de gestió del flux d'aire redueixen la propagació de la COVID-19 en espais tancats.

S'accepta que la propagació del virus SARS-CoV-2 és principalment de persona a persona, a través de les gotes i els aerosols generats per una persona que tossiu, esternuda o fins i tot parla.

Escrit per Krishnendu Sinha

A mesura que la pandèmia de COVID-19 es desenvolupa a l'Índia, l'objectiu s'ha centrat en desbloquejar i obrir l'economia. S'ha començat a establir una dura realitat que fins que no es desenvolupin vacunes o noves teràpies, haurem d'aprendre a conviure amb la pandèmia. A part dels canvis en el comportament social com el distanciament físic i l'ús de màscares, la millora dels llocs de treball i dels espais comunitaris, com ara botigues de barri, edificis d'oficines i aules, jugarà un paper important per reduir el risc de transmissió i propagació del coronavirus.

S'accepta que la propagació del virus SARS-CoV-2 és principalment de persona a persona, a través de les gotes i els aerosols generats per una persona que tossiu, esternuda o fins i tot parla. Una gota, generalment de mida inferior al mil·límetre o més gran, cau ràpidament a terra després d'haver estat emesa a causa de la gravetat. Les partícules d'aerosol són molt més petites (com una mil·lèsima part de mil·límetre) i poden romandre suspeses a l'aire, podent portar partícules de virus infeccioses amb elles, i les persones poden respirar. Per tant, comprendre el flux d'aire i la ventilació, especialment en espais tancats on els aerosols solen persistir, és un aspecte clau per controlar la propagació de la infecció.

La pregunta ara és: com es pot reduir el risc de contraure COVID-19 en espais tancats, com una botiga de barri o una barberia? Una barberia té alguns reptes únics. Els clients de la botiga es queden asseguts en un sol lloc durant la durada d'un tall de cabell, normalment entre 10 i 15 minuts. Què influeix en el risc d'infecció durant aquest temps? Sens dubte, l'etiqueta de la màscara seguida pel barber i els altres clients és important, així com el distanciament físic entre clients. Igualment important és la pregunta: hi ha una ventilació adequada per dispersar les gotes i els aerosols en l'aire? Potser, el mateix barber té moltes de les mateixes preguntes al cap. Després de tot, passa molt més temps que els clients en aquest espai tancat.

Considerem la barberia del campus de l'IIT-Bombay, freqüentada per professors i estudiants (la majoria dels quals continuen la seva formació en línia, des de casa, en aquest moment). La barberia del campus té un disseny que potser és similar al que es trobaria a la majoria dels entorns urbans del país. La botiga normalment consta d'una habitació tancada (en alguns casos amb aire condicionat, aquest és el cas de la botiga del campus) i normalment no està ben ventilada. Té més d'un grapat de persones en un moment donat. Hi ha clients que entren i surten, i mantenir el distanciament social és un repte. En aquest escenari, es pot utilitzar la gestió del flux d'aire per millorar la ventilació i reduir el risc de transmissió per l'aire?

En termes tècnics, l'estudi del flux d'aire s'anomena mecànica de fluids i és important en molts camps des de l'enginyeria aeroespacial i mecànica fins a l'astrofísica i el medi ambient. La mecànica de fluids ens ensenya com flueix l'aire als passatges i al voltant dels obstacles. Les equacions matemàtiques de la mecànica de fluids són ben conegudes, però resoldre-les és molt difícil. Es necessiten simulacions per ordinador molt sofisticades per predir el flux d'aire, i això constitueix un camp d'estudi anomenat dinàmica de fluids computacional. El CFD ens pot dir com es mou l'aire a la barberia i com les gotes infeccioses són transportades pels fluxos. També pot calcular com es pot alterar el flux d'aire per ventiladors, finestres, aire condicionat i una sèrie d'altres factors.

El CFD ja s'ha utilitzat àmpliament per estudiar el flux d'aire en espais tancats com ara compartiments de ferrocarril, espais d'oficines i centres comercials. Diversos estudis reportats es refereixen a la millora del confort humà i a la reducció de l'ús d'energia, per exemple, mitjançant un millor disseny dels sistemes d'aire condicionat. En aquests temps, dominats com són les nostres vides per la COVID-19, els estudis CFD s'han centrat en l'efecte de les màscares (que mostren com les màscares redueixen el nombre de gotes emeses i la distància que recorren) i dels fluxos d'aire i la transmissió d'aerosols en super mercats. Un informe d'un grup de Hong Kong ha demostrat com les gotes infeccioses d'una sola font es poden estendre a tot el compartiment d'un ferrocarril d'alta velocitat.

Concretament, en el context de la barberia, el CFD es pot utilitzar per dissenyar solucions d'adaptació per minimitzar la propagació d'infeccions per l'aire. Mesures senzilles com instal·lar ventiladors d'extracció o fins i tot un simple ventilador de pedestal i obrir la porta posterior (afortunadament, en tenim un a la perruqueria IITB) poden marcar una gran diferència. La idea és dispersar ràpidament les gotes d'una font potencial dins de l'habitació cap a l'exterior per minimitzar el risc per al barber i altres clients. Els càlculs senzills ja ens poden indicar la mida i la potència que requereixen els ventiladors d'escapament. Per exemple, suposant una mida típica per a una barberia de 10 peus per 15 peus per 10 peus, si volem substituir l'aire de l'habitació cada minut, necessitarem ventiladors que puguin aspirar 1500 peus cúbics d'aire per minut, o 1500 cfm tal com es dóna a les especificacions del ventilador d'escapament. Per fer-ho el doble de ràpid, podem instal·lar dos d'aquests ventiladors o un únic ventilador d'escapament de 3000 cfm.

Tot i que els càlculs simples són un bon punt de partida, cal un CFD detallat per a una anàlisi rigorosa. Els ventiladors d'extracció poden augmentar la circulació natural de l'aire a l'habitació o poden obstruir-la. Per tant, conèixer els patrons de flux precisos creats pel ventilador d'escapament esdevé fonamental. Per exemple, hi pot haver fluxos d'aire secundaris, de vegades coneguts com a zones mortes, on les bosses d'aire poden romandre atrapades durant molt de temps. Naturalment, això no expulsa l'aire de l'habitació i una persona asseguda en una zona tan morta és més propensa a respirar aerosols persistents. La col·locació de ventiladors i ventilacions per evitar aquestes zones mortes a la perruqueria és fonamental per a la gestió del flux d'aire. Necessitem models CFD per identificar les zones mortes d'una habitació i també per donar una estimació de quant de temps roman l'aire en aquestes butxaques. Mitjançant CFD, podem disposar ventiladors i ventilacions en un model informàtic de la sala per arribar a la millor solució possible.

També es poden calcular escenaris on el flux d'aire canvia quan un client entra o surt per la porta, o quan hi ha un corrent sobtat d'aire calent des de l'exterior. CFD també pot predir com canvien les coses amb el temps o les ubicacions geogràfiques. Tanmateix, les equacions de la mecànica de fluids no cedeixen tan fàcilment fins i tot als ordinadors moderns, ja que els problemes comencen a ser cada cop més complexos. Per exemple, respondre a una pregunta senzilla com què passa amb els milions de peces de cabell a terra? pot estirar els límits dels súper ordinadors. Saber això ajudarà realment, ja que ningú vol que comencin a surar.

Les solucions d'adaptació dissenyades mitjançant CFD es poden estendre a altres espais tancats com les botigues de queviures de la cantonada, els petits restaurants i les clíniques del metge. Cadascun pot tenir la seva pròpia manera de gestionar el flux d'aire per reduir la infecció. CFD pot ajudar a elaborar solucions de modernització adaptades a les seves necessitats respectives. Per a instal·lacions més grans com aules, teatres i centres comercials, hem de tractar amb molta més gent i múltiples llocs d'entrada i sortida. La mida del problema és més gran, però la ciència és la mateixa. Necessitarem ventiladors i ventilacions més grans i més, i el CFD ens pot indicar on és més efectiu col·locar-los. Les solucions intel·ligents, amb dades en temps real, possiblement es poden ajustar al nombre de persones presents en un moment determinat. Això pot ser més eficient pel que fa a l'ús d'energia i la instal·lació.

Un grup d'investigadors indis anomenat Fluid Mechanics Research for COVID-19 (FMRC) s'ha reunit per abordar els problemes de flux de fluids que planteja la reobertura de l'economia. En aquest grup hi participen investigadors de diferents IIT (IIT-Bombay, IIT-Madras, IIT-Roorkee) i de la indústria, i té com a objectiu utilitzar eines de modelització avançades per suggerir solucions d'adaptació que ajudin a reduir el risc de transmissió d'infeccions. D'especial interès per a aquest col·lectiu són els temes relacionats amb els fluxos de fluids en sales tancades, el transport públic i, per descomptat, les aules.

L'escriptor és professor d'Enginyeria Aeroespacial, IIT Bombay