Naukowcy z CU rzucają światło na to, co dzieje się, gdy płyniesz | CU Boulder dzisiaj

Zdjęcie na banerze: Potężny zielony laser pomaga wizualizować smugi aerozolu z toalety podczas jej spłukiwania. (Źródło: Patrick Campbell/CU Boulder)

Dzięki nowym badaniom CU Boulder naukowcy widzą efekt spłukiwania toalety w zupełnie nowym świetle — a teraz świat też może to zobaczyć.

Wykorzystując jasnozielone lasery i sprzęt fotograficzny, zespół inżynierów CU Boulder przeprowadził eksperyment, aby odkryć, w jaki sposób maleńkie kropelki wody, niewidoczne gołym okiem, są szybko wyrzucane w powietrze podczas spłukiwania publicznej toalety bez pokrywy. Obecnie jest publikowany w Raporty naukoweJest to pierwsze badanie, które bezpośrednio wizualizuje powstałą kolumnę aerozolu i mierzy prędkość i dyfuzję cząstek w niej zawartych.

Wiadomo, że te lotne cząsteczki przenoszą patogeny i mogą stanowić zagrożenie dla osób odwiedzających łaźnie publiczne. Jednak ta żywa wizualizacja potencjalnego narażenia na choroby zapewnia również metodologię pomagającą je zmniejszyć.

„Jeśli jest to coś, czego nie widać, łatwo udawać, że tego nie ma. Ale kiedy obejrzysz te filmy, już nigdy nie pomyślisz o spłukiwaniu toalety w ten sam sposób.” Johna Crimaldiego, główny autor badania i profesor inżynierii lądowej, środowiskowej i architektonicznej. „Tworząc ekscytujące wizualizacje tego procesu, nasze badanie może odegrać ważną rolę w przekazywaniu wiadomości dotyczących zdrowia publicznego”.

Naukowcy od ponad 60 lat wiedzą, że podczas spłukiwania toalety zgodnie z projektem wypadają ciała stałe i płyny, ale do powietrza uwalniane są również małe, niewidoczne cząsteczki. Wcześniejsze badania wykorzystywały narzędzia naukowe do wykrywania obecności tych unoszących się w powietrzu cząstek nad spłuczkami toaletowymi i wykazały, że większe cząsteczki mogą lądować na otaczających powierzchniach, ale do tej pory nikt nie wiedział, jak wyglądały te pióropusze ani w jaki sposób cząsteczki się tam dostały.

Zrozumienie trajektorii i prędkości tych cząstek — które mogą przenosić patogeny, takie jak Escherichia coli, Clostridium difficile, norowirusy i adenowirusy — jest ważne dla ograniczenia ryzyka narażenia poprzez strategie dezynfekcji i wentylacji lub ulepszone projekty toalet i spłuczek. Chociaż wirus wywołujący COVID-19 (SARS-CoV-2) jest obecny w ludzkich odchodach, obecnie nie ma jednoznacznych dowodów na to, że skutecznie rozprzestrzenia się przez spray toaletowy.

„Ludzie wiedzieli, że toalety wydzielają spray, ale nie mogli tego zobaczyć” – powiedział Crimaldi. „Pokazujemy, że ta rzecz jest znacznie bardziej aktywną i szerszą kolumną niż nawet ludzie, którzy znali tę koncepcję”.

Badanie wykazało, że te unoszące się w powietrzu cząsteczki poruszają się szybko, z prędkością 6,6 stopy (2 metry) na sekundę, osiągając 4,9 stopy (1,5 metra) nad toaletą w ciągu 8 sekund. Podczas gdy większe kropelki mają tendencję do osiadania na powierzchni w ciągu kilku sekund, mniejsze cząstki (aerozole mniejsze niż 5 mikronów lub milionowe części metra) mogą pozostawać zawieszone w powietrzu przez kilka minut lub dłużej.

Osoby odwiedzające łazienkę muszą martwić się nie tylko o własne odpady. Kilka innych badań wykazało, że patogeny mogą utrzymywać się w naczyniu przez dziesiątki błysków, zwiększając ryzyko potencjalnego narażenia.

„Celem toalety jest skuteczne usuwanie nieczystości z muszli, ale działa też odwrotnie, czyli rozpyla dużą część zawartości na górę” – powiedział Crimaldi. „Nasze laboratorium stworzyło metodologię, która stanowi podstawę do poprawy i złagodzenia tego problemu”.

Nie strata czasu

Crimaldi uruchamia plik Środowiskowe Laboratorium Dynamiki Płynów w CU Boulder, która specjalizuje się w używaniu urządzeń laserowych, barwników i gigantycznych zbiorników z płynem do badania wszystkiego, od W jaki sposób zapachy docierają do naszego nosa? jak chemikalia poruszają się w burzliwych zbiornikach wodnych. Pomysł wykorzystania technologii laboratoryjnej do śledzenia tego, co dzieje się w powietrzu po spłukaniu toalety, wynikał z wygody, ciekawości i okoliczności.

Podczas wolnego tygodnia w czerwcu ubiegłego roku, koledzy profesorowie Carla Lindena i Marka Hernandeza z programu inżynierii środowiska, a kilku absolwentów z laboratorium Crimaldi dołączyło do niego, aby skonfigurować i przeprowadzić eksperyment. Aaron True, drugi autor badania i partner badawczy w laboratorium Crimaldi, odegrał kluczową rolę w prowadzeniu i rejestrowaniu pomiarów laserowych na potrzeby badania.

Użyli dwóch laserów: jednego, który stale świecił nad i nad toaletą, a drugiego, który wysyłał szybkie impulsy światła na ten sam obszar. Laser stacjonarny wykrywał, gdzie w przestrzeni znajdują się cząstki unoszące się w powietrzu, podczas gdy laser pulsujący mógł mierzyć ich prędkość i kierunek. Tymczasem dwa aparaty robiły zdjęcia w wysokiej rozdzielczości.

Sama toaleta była tego samego typu, co typowo spotykane w publicznych toaletach w Ameryce Północnej: jednostka bez pokrywy z cylindrycznym mechanizmem spłukiwania – ręcznym lub automatycznym – który zagłębiony był z tyłu blisko ściany, znany jako zawór typu spłukiwania. Nowa czysta toaleta była wypełniona tylko wodą z kranu.

Wiedzieli, że ten nagły eksperyment może być stratą czasu, ale zamiast tego badania dały ogromny impuls.

„Spodziewaliśmy się, że te aerozole będą się unosić, ale wypadły jak rakieta” – powiedział Crimaldi.

Energetyczne, unoszące się w powietrzu cząsteczki wody kierowały się głównie w górę i z powrotem w kierunku tylnej ściany, ale ich ruch był nieprzewidywalny. Szyb również sięgał sufitu laboratorium i nie mając dokąd pójść, odsunął się od ściany i rozprzestrzenił do przodu, do pokoju.

Konfiguracja eksperymentalna nie zawierała odpadów stałych ani papieru toaletowego w misce, nie było też straganów ani poruszających się ludzi. Crimaldi powiedział, że te zmienne w świecie rzeczywistym mogą zaostrzyć problem.

Zmierzyli również cząsteczki unoszące się w powietrzu za pomocą optycznego licznika cząstek, urządzenia, które zasysa próbkę powietrza przez małą rurkę i oświetla ją światłem, umożliwiając zliczanie i pomiar cząstek. Mniejsze cząstki nie tylko dłużej unoszą się w powietrzu, ale mogą również wydostać się z włosów z nosa i dotrzeć głębiej do płuc – co czyni je bardziej niebezpiecznymi dla zdrowia ludzkiego – dlatego ważna była również znajomość liczby i rozmiaru cząstek.

Chociaż wyniki te mogą być niepokojące, badanie zapewnia ekspertom ds. instalacji sanitarnych i zdrowia publicznego spójny sposób testowania udoskonalonych strategii projektowania, dezynfekcji i wentylacji w celu zmniejszenia ryzyka narażenia na patogeny w publicznych toaletach.

„Żadnego z tych ulepszeń nie można skutecznie wprowadzić bez wiedzy o tym, jak kolumna aerozolu ewoluuje i jak się porusza” – powiedział Crimaldi. „Możliwość zobaczenia tego niewidzialnego filaru zmienia reguły gry”.

Inni autorzy tej publikacji to: Aaron True, Carl Linden, Mark Hernandez, Lars Larsson i Anna Pauls z Wydziału Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury.