Il barbiere e il virus

In che modo gli strumenti di gestione del flusso d'aria riducono la diffusione del COVID-19 negli spazi chiusi.

È accettato che la diffusione del virus SARS-CoV-2 sia principalmente da persona a persona, attraverso le goccioline e gli aerosol generati da una persona che tossisce, starnutisce o addirittura parla.

Scritto da Krishnendu Sinha

Mentre la pandemia di COVID-19 si svolge in India, l'attenzione si è concentrata sullo sblocco e l'apertura dell'economia. Ha iniziato a delinearsi una dura realtà: fino a quando non saranno sviluppati vaccini o nuove terapie, dovremo imparare a convivere con la pandemia. Oltre ai cambiamenti nel comportamento sociale come il distanziamento fisico e l'uso della maschera, l'adeguamento dei luoghi di lavoro e degli spazi comuni, come i negozi di quartiere, gli edifici per uffici e le aule, svolgerà un ruolo importante nel ridurre il rischio di trasmissione e diffusione del coronavirus.

È accettato che la diffusione del virus SARS-CoV-2 sia principalmente da persona a persona, attraverso le goccioline e gli aerosol generati da una persona che tossisce, starnutisce o addirittura parla. Una goccia, di solito di dimensioni inferiori al millimetro o più grandi, cade rapidamente a terra dopo essere stata emessa a causa della gravità. Le particelle di aerosol sono molto più piccole (fino a un millesimo di millimetro) e possono rimanere sospese nell'aria, portando con sé particelle virali potenzialmente infettive, e possono essere respirate dalle persone. Pertanto, comprendere il flusso d'aria e la ventilazione, specialmente negli spazi chiusi dove gli aerosol tendono a persistere, è un aspetto chiave del controllo della diffusione dell'infezione.

La domanda ora è: come si riduce il rischio di contrarre il COVID-19 in spazi chiusi, come un negozio di quartiere o un barbiere? Un negozio di barbiere ha alcune sfide uniche. I clienti del negozio rimangono seduti in un posto per la durata di un taglio di capelli, in genere 10-15 minuti. Cosa influenza il rischio di infezione durante questo periodo? Sicuramente è importante il galateo della maschera seguito dal barbiere e dagli altri clienti, così come il distanziamento fisico tra i clienti. Altrettanto importante è la domanda: c'è un'adeguata ventilazione per disperdere le goccioline e gli aerosol nell'aria? Forse, il barbiere stesso ha molte delle stesse domande in mente. Dopotutto, trascorre molto più tempo dei clienti in quello spazio chiuso.

Consideriamo il negozio di barbiere nel campus IIT-Bombay, frequentato da docenti e studenti (la maggior parte dei quali sta continuando la propria formazione online, da casa, in questo momento). Il negozio del barbiere del campus ha un layout forse simile a quello che si potrebbe incontrare nella maggior parte degli ambienti urbani del paese. Il negozio comprende tipicamente una stanza chiusa (in alcuni casi con aria condizionata, questo è il caso del negozio del campus) e in genere non è ben ventilato. Ha più di una manciata di persone in un dato momento. Ci sono clienti che entrano ed escono e mantenere il distanziamento sociale è impegnativo. In un tale scenario, la gestione del flusso d'aria può essere utilizzata per migliorare la ventilazione e ridurre il rischio di trasmissione per via aerea?

In termini tecnici, lo studio del flusso d'aria è chiamato meccanica dei fluidi ed è importante in molti campi dall'ingegneria aerospaziale e meccanica all'astrofisica e all'ambiente. La meccanica dei fluidi ci insegna come l'aria scorre nei passaggi e attorno agli ostacoli. Le equazioni matematiche della meccanica dei fluidi sono ben note, ma risolverle è molto difficile. Sono necessarie simulazioni al computer altamente sofisticate per prevedere il flusso d'aria, e questo costituisce un campo di studio chiamato fluidodinamica computazionale. CFD può dirci come si muove l'aria nella bottega del barbiere e come le goccioline infettive vengono trasportate dai flussi. Può anche calcolare come il flusso d'aria può essere alterato da ventilatori, finestre, aria condizionata e una miriade di altri fattori.

Il CFD è già stato ampiamente utilizzato per studiare il flusso d'aria in spazi chiusi come compartimenti ferroviari, uffici e centri commerciali. Diversi studi riportati riguardano il miglioramento del comfort umano e la riduzione del consumo di energia, ad esempio attraverso una migliore progettazione dei sistemi di condizionamento dell'aria. In questi tempi, dominati come le nostre vite sono da COVID-19, gli studi CFD si sono concentrati sull'effetto delle maschere (mostrando come le maschere riducono il numero di goccioline emesse e la distanza che percorrono) e dei flussi d'aria e la trasmissione di aerosol in super mercati. Un rapporto di un gruppo di Hong Kong ha mostrato come le goccioline infettive provenienti da un'unica fonte possono diffondersi nell'intero compartimento di una ferrovia ad alta velocità.

Nello specifico, nel contesto del negozio di barbiere, CFD può essere utilizzato per progettare soluzioni di retrofit per ridurre al minimo la diffusione di infezioni trasmesse per via aerea. Semplici misure come l'installazione di ventole di scarico o anche una semplice ventola a piedistallo e l'apertura della porta posteriore (fortunatamente ne abbiamo una presso il barbiere IITB) possono fare una grande differenza. L'idea è di disperdere rapidamente le goccioline da una potenziale fonte all'interno della stanza verso l'esterno per ridurre al minimo il rischio per il barbiere e gli altri clienti. Semplici calcoli possono già dirci le dimensioni e la potenza richieste dai ventilatori di scarico. Ad esempio, assumendo una dimensione tipica per un negozio di barbiere di 10 piedi per 15 piedi per 10 piedi, se desideriamo sostituire l'aria nella stanza ogni minuto, saranno necessarie ventole in grado di aspirare 1500 piedi cubi di aria al minuto, o 1500 cfm come indicato nelle specifiche della ventola di scarico. Per farlo due volte più velocemente, possiamo installare due di questi ventilatori o un singolo aspiratore di 3000 cfm.

Sebbene i calcoli semplici siano un buon punto di partenza, sono necessari CFD dettagliati per un'analisi rigorosa. I ventilatori di scarico possono aumentare la circolazione naturale dell'aria nella stanza o possono ostruirla. La conoscenza degli schemi di flusso precisi creati dalla ventola di scarico diventa quindi fondamentale. Ad esempio, possono esserci flussi d'aria secondari, a volte noti come zone morte, in cui le sacche d'aria possono rimanere intrappolate per lungo tempo. Naturalmente, questo non fa uscire l'aria dalla stanza e una persona seduta in una zona così morta è più incline a respirare aerosol persistenti. Il posizionamento di ventilatori e prese d'aria per evitare tali zone morte nel negozio di barbiere è fondamentale per la gestione del flusso d'aria. Abbiamo bisogno di modelli CFD per identificare le zone morte in una stanza e anche per dare una stima di quanto a lungo l'aria rimane in tali sacche. Utilizzando CFD, possiamo organizzare ventilatori e prese d'aria in un modello computerizzato della stanza per arrivare alla migliore soluzione possibile.

Si possono anche calcolare scenari in cui il flusso d'aria cambia quando un cliente entra o esce dalla porta, o quando c'è un improvviso tiraggio di aria calda dall'esterno. CFD può anche prevedere come cambiano le cose con il tempo o le posizioni geografiche. Tuttavia, le equazioni della meccanica dei fluidi non si adattano così facilmente nemmeno ai computer moderni poiché i problemi iniziano a diventare sempre più complessi. Ad esempio, rispondendo a una domanda semplicistica come cosa succede ai milioni di capelli sul pavimento? può estendere i limiti dei super computer. Sapere che sarà davvero di aiuto perché nessuno vuole che inizino a fluttuare.

Le soluzioni di retrofit progettate utilizzando CFD possono essere estese ad altri spazi chiusi come i negozi di alimentari all'angolo, i piccoli ristoranti e gli ambulatori medici. Ognuno può avere il proprio modo di gestire il flusso d'aria per ridurre l'infezione. CFD può aiutare a elaborare soluzioni di retrofit su misura per le rispettive esigenze. Per allestimenti più grandi come aule, teatri e centri commerciali, abbiamo a che fare con molte più persone e più punti di ingresso e uscita. La dimensione del problema è più grande, ma la scienza è la stessa. Avremo bisogno di ventilatori e prese d'aria sempre più grandi e CFD può dirci dove è più efficace posizionarli. Le soluzioni intelligenti, con dati in tempo reale, possono eventualmente essere sintonizzate sul numero di persone presenti in un determinato momento. Questo può essere potenzialmente più efficiente in termini di consumo energetico e installazione.

Un gruppo di ricercatori indiani chiamato Fluid Mechanics Research for COVID-19 (FMRC) si è riunito per affrontare i problemi di flusso dei fluidi posti dalla riapertura dell'economia. Questo gruppo coinvolge ricercatori di diversi IIT (IIT-Bombay, IIT-Madras, IIT-Roorkee) e dell'industria e mira a utilizzare strumenti di modellazione avanzati per suggerire soluzioni di retrofit che contribuiranno a ridurre il rischio di trasmissione dell'infezione. Di particolare interesse per questo gruppo sono le questioni relative ai flussi di fluidi in ambienti chiusi, ai trasporti pubblici e, naturalmente, alle aule.

Lo scrittore è professore di ingegneria aerospaziale, IIT Bombay