Matar coronavírus dentro de casa com simulação de CFD

Projetado totalmente com simulação de fluidodinâmica computacional Simcenter (CFD), parte do portfólio do Xcelerator da Siemens, Soluva, um novo purificador UV-C mata 99,99% dos coronavírus no ar. O aparelho de Heraeus Noblelight já está em funcionamento em ônibus, salas de aula e hospitais.

Indoors - o lugar mais perigoso para se estar durante uma pandemia global.

 

Como minimizar a transmissão do vírus pelo ar em espaços interiores? Como é que reabrimos o mundo em segurança? Estamos resignados a um futuro de lockdowns, edifícios vazios, distanciamento social e evitar completamente dentro de casa? A pandemia global do Coronavírus (Covid-19) tem arruinado vidas, destruído meios de subsistência e feito do interior o lugar mais perigoso para se estar hoje.

 

Enquanto médicos e profissionais de saúde lutam contra o Covid-19 na linha de frente, outros têm a sua atenção para um desafio diferente: como tornar o interior mais seguro?

 

A resposta é um novo dispositivo de uma empresa iniciado em 1660, baseado em um fenômeno descoberto em 1896 e totalmente projetado com o melhor da simulação digital do século21 da Siemens. A resposta é Soluva, um purificador de ar ultravioleta (UV) que mata 99,99% do coronavírus SRA-CoV-2 no ar.  

(UV-C) Luz no final do túnel (de bloqueio)

O apropriadamente chamado Heraeus Noblelight é o criador de Soluva. Começando como farmácia em 1660, Heraeus é conhecida mundialmente pelas suas lâmpadas, emissores e produtos de desinfecção. A luz, seja UV, infravermelho ou faixa de onda média, está no centro de tudo o que eles fazem. Quando a COVID-19 atingiu a Europa e os países fecharam, Heraeus soube imediatamente que a sua experiência em UV poderia ajudar. A questão era como?

 

"A luz UV tem sido usada para matar bactérias e vírus desde que o vencedor do Prêmio Nobel Niels Finsen descobriu o fenômeno em 1896", diz Larisa von Riewel, líder do Grupo de Engenharia Assistida por Computador (CAE) no Heraeus Noblelight. "Normalmente fazemos sistemas UV específicos do cliente. Mas combater a transmissão COVID dentro de casa precisava de um dispositivo completamente novo. Um dispositivo que pode aproveitar a luz UV-C para matar o vírus."

 

A luz UV-C (200 - 280 nm) do sol, ao contrário das suas contrapartidas UV-A e UV-B, nunca ultrapassa a atmosfera. Não é de admirar que a radiação UV-C, produzida artificialmente, seja a mais eficaz para matar vírus, destruindo a sua estrutura e inativando células vivas. Esta luz UV-C (a 254 nm de comprimento de onda) está no coração da Soluva.

A simulação domina o desafio da segurança

Heraeus Noblelight reuniu uma equipe de 60 engenheiros, designers e especialistas em simulação para projetar o novo dispositivo para salas, escritórios, transportes e espaços públicos. A linha do tempo? Seis meses desde a ideia até à entrega.A lâmpada UV-C em Soluva fica dentro de uma caixa. Um ventilador puxa o ar de um lado e a radiação UV-C mata o vírus antes de o ar sair.

 

"O nosso maior desafio era a segurança. O UV-C é prejudicial para os humanos, por isso o nosso dispositivo teve de o conter dentro do sistema", acrescenta Dörte Eggers, Engenheiro de Simulação da Heraeus Noblelight. "Além disso, o ar tem de estar no sistema o tempo suficiente para que a dose UV-C mate o vírus. Se sair muito cedo, o vírus permanece ativo."

 

Para projetar um dispositivo seguro, eficiente e livre de ruídos, Heraeus Noblelight passou a simular a dinâmica de fluidos computacional multifísica (CFD) com o Simcenter. Antes de construir qualquer produto - seja ele um avião, carro, navio, até mesmo incubadoras de bebês - os engenheiros usam a simulação CFD para prever virtualmente o desempenho de fluidos, térmicos, estruturais e outros produtos. A equipe da Heraeus Noblelight utilizou o Simcenter STAR-CCM+, o software de simulação CFD Multiphysics, para otimizar o desempenho do dispositivo e analisar o fluxo de ar e a transmissão de gotículas com o purificador UV-C. Eles também utilizaram o Simcenter FLOEFD CAD-embarcado para analisar rapidamente o fluxo de ar dentro de um ônibus onde o dispositivo é instalado.

Da ideia à operação em seis meses

"A simulação CFD com o software Simcenter STAR-CCM+ foi a espinha dorsal do desenvolvimento da Soluva", diz Larisa von Riewel. "É muito mais fácil modelar a performance no mundo virtual. Graças à simulação precisa com o Simcenter STAR-CCM+, salvamos muitas etapas de produção e demos vida à Soluva em seis meses"

 

"Simcenter STAR-CCM+ nos ajudou a encontrar o melhor projeto de caixa e ventilador, simular o desempenho para várias divisões e posições de parede, otimizar o nível de ruído e garantir que o ar e as partículas permaneçam no sistema por tempo suficiente", acrescenta Dörte Eggers. "Um método de probabilidade Monte-Carlo mostrou então que o dispositivo tinha dose de UV-C suficiente para inativar 99,99% do vírus."

 

Dörte Eggers até simulou gotículas de tosse de uma pessoa infectada em um escritório e sala de aula para testar a eficiência de Soluva. Em seis meses, a equipe entregou sete produtos diferentes da Soluva em operação, todos desenhados virtualmente com CFD

Modelar a tosse virtualmente

"Estávamos sob forte pressão de tempo", acrescenta Larisa von Riewel. "Modelar a tosse foi virtualmente uma nova área para nós. Mas a Siemens deu um webinar com a Airbus sobre a pesquisa conjunta em modelagem da tosse. Esta pesquisa deu-nos pistas para calcular a probabilidade de transmissão na sala"

 

O papel da Siemens Sales and Support também foi crucial. "O que torna o Simcenter STAR-CCM+ excepcional é o apoio que recebemos. Nosso dedicado engenheiro de suporte, Paco Ezquerra, nos ajudou imensamente na modelagem correta da física da tosse", acrescenta Dörte Eggers

Manter-se seguro dentro de casa com a Soluva

O verdadeiro 'teste' do design virtual, é claro, estava em testes físicos. A equipa do Heraeus Noblelight testou a Soluva em testes experimentais pela Universidade de Tübingen, o Instituto Higiénico biotec GmbH e o Instituto Frauenhofer. Usando tanto substitutos como um vírus real, os testes confirmaram a eficácia do dispositivo UV-C. Em cinco a seis minutos, Soluva eliminou 99,99% dos vírus em uma sala vazia, sem resíduos de ozônio nocivo detectado.

 

O dispositivo pode ser instalado e estar operacional em menos de duas horas. A cidade de Hanau, Alemanha, tornou-se a primeira cidade a utilizar Soluva nos seus ônibus públicos. Aqui, Heraeus Noblelight usou o Simcenter FLOEFD para analisar rapidamente o fluxo de ar no autocarro antes de instalar o dispositivo. "Eu acho o Simcenter FLOEFD muito útil para cálculos rápidos que precisávamos para integrar o dispositivo rapidamente no ônibus", diz Larisa von Riewel

Com variantes portáteis, montadas na parede e no tecto, entre outras, a Soluva oferece agora desinfecção UV eficaz e flexível para transportes públicos, hospitais, escritórios, escolas e muito mais.

 

As precauções padrão de segurança das máscaras, distanciamento e lavagem das mãos ainda são necessárias. Mas em seis meses, Heraeus Noblelight, auxiliado pelo Simcenter STAR-CCM+, nos trouxe um passo mais perto do que todos nós desejamos: mais seguros dentro de casa e uma semblante de normalidade em nossas vidas

As simulações eram críticas em termos de tempo e precisavam de um enorme poder computacional. O nosso engenheiro de apoio, Paco, ajudou-nos em cada passo. A equipa da Siemens deu-nos licenças de energia experimental durante dois meses para acelerar os resultados. Isto é algo especial sobre o Simcenter e a Siemens.
Dörte Eggers, Engenheiro de Simulação, Heraeus Noblelight

Prashanth Shankara Shastrigal
Abril 2021

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