Tras la pista del SARS-CoV-2 en teleféricos
Aerodinámica en la cabina: en las ventanas, un experto mide el flujo de aire usando sensores de presión de aire. Crédito: Streamwise GmbH
COVID-19 es difícil de evaluar, y los modelos matemáticos complejos para cuantificar los riesgos de infección son, en última instancia, intentos de aproximarse a la realidad también en el caso de las estaciones de esquí y las muchas personas que pasan el rato en las pistas de esquí. Es por eso que un equipo liderado por Ivan Lunati del laboratorio de Estudios Multiescala en Física de la Construcción de Empa comenzó su trabajo precisamente en esta realidad: en los teleféricos y cabañas de la estación de esquí Engelberg-Trbsee-Titlis.
Para explorar el factor de intercambio de aire, que se sabe que desempeña un papel importante en la propagación de patógenos, los investigadores realizaron mediciones in situ. Examinaron tres tipos de camarotes: uno más pequeño llamado Omega 3 con un volumen de poco más de cinco metros cúbicos para un máximo de ocho pasajeros y dos camarotes más grandes con espacio para 80 y 77 personas, respectivamente, y un volumen de poco menos de 40 y poco menos de 50 metros cúbicos.
El aire fluye a través de las ventanas en vivo
El equipo de Empa utilizó por primera vez un sistema móvil para explorar cómo se mueve el aire en estos vehículos: En colaboración con la empresa Streamwise , se utilizaron sensores de presión de aire para registrar la distribución espacial del flujo en tiempo real. A partir de estos datos, los investigadores calcularon las tasas de intercambio de aire para los respectivos tipos de cabina.
Las mediciones de las concentraciones de CO2, consideradas un buen indicador del intercambio de aire interior, apuntaban en la misma dirección. Durante los viajes en la cabaña más pequeña desde el valle hasta la estación de montaña a poco más de 2400 metros de altitud, dos sensores a la altura de la cabeza y del vientre registraron la concentración del gas. El resultado: si ambas ventanas correderas del lado derecho de la cabina estaban cerradas, la concentración de CO2 aumentaba casi linealmente hasta la siguiente parada, cuando las puertas se abrían de nuevo. Si una de las dos ventanas estaba abierta, el aumento de CO2 era significativamente menor. Y con dos ventanas abiertas, el valor se estabilizó rápidamente alrededor de 500 ppm, o partes por millón, luego de un valor inicial de 400 ppm, correspondiente al aire ambiente.
Aunque la campaña de medición de CO2 aún está en curso, ya confirmó los resultados de las mediciones de la presión del aire. Más concretamente, el aire se recambió 138 veces por hora en la cabina más pequeña, 180 veces en la cabina mediana y solo 42 veces en la cabina más grande. Según Lunati, la causa de la tarifa reducida en la cabina más grande son las ventanas con bisagras en el techo de la cabina: «A diferencia de los otros tipos de cabina, el flujo de aire a través de la corriente de aire es muy sensible», explica. «Allí hay condiciones de flujo más complicadas, lo que hace que el intercambio de aire sea menos eficiente».
Los colores y las flechas muestran en tiempo real con qué fuerza y en qué dirección fluye el aire exterior hacia la cabina. Crédito: Streamwise GmbH
A primera vista, una tasa de 42 cambios de aire por hora puede parecer baja, pero una comparación con otros entornos interiores deja la impresión algo clara: en un tren, se realizan de siete a 14 cambios de aire, y en una oficina promedio de dos personas, solo alrededor de un cambio de aire por hora. Por lo tanto, en las cabinas de los teleféricos, las ventanas abiertas claramente ayudan a reducir el riesgo de altas concentraciones de aerosoles.
Sin embargo, ¿qué pasa con las tasas de emisión de patógenos? Es un punto complicado, dice Lunati, porque algunas de las propiedades del SARS-CoV-2 aún no se conocen bien. Además, se sabe que la tasa de emisión depende del comportamiento de una persona infectada. ¿Respira tranquilamente o está tan cansado de esquiar que resopla violentamente? ¿Se ríe, habla y si es así, en voz alta o en voz baja? Según Lunati, los buenos datos sobre esto son actualmente escasos. Además, la física de cómo las gotas y los aerosoles se propagan en una habitación no se comprende completamente.
Para imitar la realidad lo más cerca posible, los investigadores de Empa mejoraron los modelos de cálculo que a menudo se usan para estimar virus. brotes y los utilizaron para desarrollar su propia estimación. Al hacerlo, también tuvieron en cuenta la tasa de infección dentro de la población general, es decir. la probabilidad de que uno, dos o incluso más portadores de virus estén presentes en una cabina. Un ejemplo numérico simple para una cabaña con cinco personas: si el virus infecta al 0.1 por ciento de la población, la probabilidad de que una persona infectada no detectada esté presente estadísticamente sería de alrededor de una en 200 y una en 10,000 de que dos personas infectadas estén en la cabaña. Si el 1 por ciento de la población estuviera infectada, esta probabilidad aumentaría a 1:20 para una y 1:1000 para dos personas infectadas en la cabina.
Una tasa de infección de una de cada 100 personas es bastante realista, ya que un valor máximo durante una pandemia, dice Lunati; también corresponde a los resultados de una prueba masiva reciente en el cantón de los Grisones. Bajo estos supuestos, un escenario del mundo real, en el que 80 personas ocupen la cabina por completo, sería por supuesto más delicado. Según los expertos de Empa, la probabilidad de que una persona en la cabina se infecte sin ser detectada es de un 36 %, y de dos pasajeros infectados de un 14 %.
¿Cena, oficina o teleférico? Riesgos en comparación
Usando estos y otros factores, como el tiempo que tardan los patógenos en volverse inactivos, los investigadores calcularon primero los riesgos de infección para las personas susceptibles en la cabina y, a partir de esto, finalmente, el riesgo para todos los pasajeros. . Los parámetros más importantes son la tasa de intercambio de aire, el número de personas infectadas por volumen de aire y el tiempo total de viaje. Los resultados para una cabina más pequeña (ocho personas, ventanas abiertas) pueden ilustrarse mediante una comparación con otras ubicaciones. Una cena de 30 metros cuadrados con ocho personas hablando en voz alta sería mucho más arriesgada. El riesgo de infección durante un viaje de 12 minutos en la cabina más pequeña también es significativamente menor que durante una jornada laboral de ocho horas en una oficina de 20 metros cuadrados para dos, con una tasa de cambio de aire de una vez por hora. Por lo tanto, si las ventanas de la cabina se dejan abiertas, un día de esquí con algunos viajes en teleférico resulta en un riesgo de infección significativamente menor que un día completo de trabajo en una oficina de dos personas con poca ventilación.
Las estimaciones de los investigadores de Empa se diseñaron inicialmente para un escenario «sin máscaras». «Queríamos determinar el riesgo puro de infección por pasar tiempo en las cabinas de los teleféricos», explica Lunati. «Cuando se usan correctamente, las máscaras reducen el riesgo de acuerdo con su rendimiento de filtrado respectivo. Protegen muy bien, especialmente contra la transmisión de gotas más grandes, por ejemplo, al hablar».
Los colores y las flechas muestran en tiempo real con qué intensidad y en qué dirección del flujo de aire exterior hacia la cabina. Crédito: Streamwise GmbH
Menos pasajeros = menor riesgo
¿Qué recomendaciones específicas se pueden derivar de los nuevos hallazgos? Además del obvio consejo de «¡Ventilen por favor!» también vale la pena limitar el número de pasajeros por viaje. «De todos modos, esto ya se hace en las estaciones de esquí y definitivamente es una buena estrategia», dice Lunati.
En cualquier caso, dicha información debería ser útil para los operadores de teleféricos. «La cooperación con Empa nos permite obtener datos de medición profesionales e independientes», dice el director de marketing Urs Egli de Titlis Bergbahnen. «Apreciamos mucho esta cooperación. Y dada la situación actual, es aún más valiosa para nosotros».
Toser en la mira de la ciencia
En el futuro, los investigadores de Empa quieren para refinar aún más sus modelos computacionales o incluso desarrollar enfoques completamente nuevos para acercarse aún más a la realidad. También quieren mejorar la base de datos para la propagación del virus con una «máquina para la tos» especialmente diseñada y desarrollada en su laboratorio. Desde dos cilindros, comparables a los lóbulos de los pulmones humanos, el aire comprimido especial ingresa a una «cabeza» a través de mangueras: calentado a la temperatura corporal, enriquecido con humedad y gotas, cuya propagación luego es registrada por dos cámaras también adecuado para probar futuras máscaras protectoras .
Ya están en marcha conversaciones sobre la cooperación con el fabricante de teleféricos CWA, con sede en Olten, que ha estado siguiendo y apoyando la investigación de Lunati. «Hasta ahora, el tema del intercambio de aire se ha tratado de manera bastante madrastra», dice Massimo Ratti. Datos como los de Empa, dice el director técnico de CWA, serían realmente útiles no solo en la situación actual, sino también con respecto a los futuros teleféricos en el transporte público. Al fin y al cabo, las exigencias allí son incluso más altas que en las estaciones de esquí, explica el experto: «Nos interesaría mucho participar en un proyecto de investigación de cabinas con una circulación de aire aún mejor».
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