S pomočjo simulacij do čistega zraka

Iz revije Hi!tech 2/22, september 2022

Zaprti prostori so med svetovno pandemijo novega koronavirusa postali najnevarnejši kraji. Toda kako zmanjšati prenos virusov po zraku v zaprtih prostorih? Ali si je mogoče predstavljati, da bodo stavbe v prihodnosti ostale večinoma prazne, da se bomo morali izogibati notranjim prostorom? Svetovna pandemija covida-19 je obrnila življenja ljudi na glavo, uničila sredstva za preživljanje in notranje prostore spremenila v še posebej nevarne prostore.

Medtem ko so se zdravniki in zdravstveni delavci borili proti covidu-19, so se drugi posvetili drugačnemu izzivu: raziskovanju, kako notranje prostore narediti varnejše. Odgovor je nova naprava podjetja, ustanovljenega leta 1660. Temelji na pojavu, odkritemu leta 1896, v celoti pa je razvita s pomočjo digitalne simulacije iz Siemensa.

Proizvajalec Soluve, družba Heraeus Noblelight, je bil ustanovljen leta 1660 kot lekarna in je po vsem svetu znan po svojih svetilkah, sevalcih in dezinfekcijskih izdelkih. Svetloba, bodisi UV, infrardeča ali srednjevalovna, je v središču dejavnosti podjetja. Ko je Evropo prizadel koronavirus in je bilo javno življenje v državah ustavljeno, je Heraeus takoj vedel, da lahko pomaga s svojim strokovnim znanjem na področju UV-sevanja. Edino vprašanje je bilo: kako?

»UV-svetloba se uporablja za uničevanje bakterij in virusov, odkar je ta pojav leta 1896 odkril Nobelov nagrajenec Niels Finsen,« pravi Larisa von Riewel, vodja ekipe za računalniško podprto inženirstvo pri podjetju Heraeus Noblelight. »Običajno izdelujemo sisteme UV po meri. Vendar je bila za boj proti prenosu koronavirusov v zaprtih prostorih potrebna popolnoma nova naprava. Naprava, ki lahko uniči virus s pomočjo svetlobe UV-C.«

 V nasprotju z UV-A in UV-B žarki UV-C svetloba (200-280 nm) s sonca ne prodre v ozračje. Umetno ustvarjeno UV-C sevanje najučinkoviteje uničuje viruse. Ta UV-C svetloba (z valovno dolžino 254 nm) je srce sistema Soluva. Ventilator na eni strani vsrka zrak v enoto, UV-C sevanje, ki ga oddaja svetilka, uniči viruse v vsrkanem zraku, iz ohišja naprave pa nato odteka prečiščeni zrak.

Heraeus je za oblikovanje nove naprave za sobe, pisarne, sredstva javnega prevoza in javne prostore zbral 60-člansko ekipo inženirjev, oblikovalcev in strokovnjakov za simulacije ter si zadal cilj, da od zamisli do izvedbe ne sme preteči več kot šest mesecev.

 »Naš največji izziv je bila varnost. UV-C sevanje je namreč škodljivo za ljudi, zato ne sme zapustiti sistema,« pravi Dörte Eggers, inženir simulacij pri podjetju Heraeus Noblelight. »Poleg tega mora zrak ostati v sistemu dovolj dolgo, da odmerek UV-C uniči virus. Če zrak napravo zapusti prehitro, bo virus ostal aktiven.«

Pri snovanju varne in učinkovite naprave z nizko stopnjo hrupa se je družba Heraeus Noblelight zanesla na simulacijo večfizikalne računalniške dinamike tekočin (CFD) s programom Simcenter družbe Siemens. Inženirji pred izdelavo katerega koli izdelka - letala, avtomobila, ladje ali celo inkubatorja za novorojenčke - s simulacijami CFD virtualno predvidijo gibanje zraka ter toplotno, strukturno in tudi siceršnje obnašanje izdelka. Ekipa podjetja Heraeus Noblelight je uporabila simulacijsko programsko opremo Simcenter STAR-CCM+ za optimizacijo učinkovitosti naprave ter analizo pretoka zraka in prenosa kapljic v UV-C čistilniku. 

»Simulacija CFD z orodjem Simcenter STAR-CCM+ je bila pravzaprav hrbtenica razvoja Soluve,« pravi Larisa von Riewel. »Veliko lažje je modelirati delovanje v virtualnem okolju kot v resničnem svetu. Zaradi natančne simulacije smo prihranili veliko proizvodnih korakov in lahko Soluvo realizirali v šestih mesecih.«

 »Simcenter STAR-CCM+ nam je pomagal razviti najboljšo zasnovo ohišja in ventilatorja, simulirati delovanje za različne prostore in položaje sten, optimizirati raven hrupa ter zagotoviti, da zrak in delci ostanejo v sistemu dovolj dolgo,« pravi Dörte Eggers. »Metoda Monte Carlo je pokazala, da ima enota zadosten odmerek UV-C za inaktivacijo 99,99 % virusov.«

 Da bi preizkusil učinkovitost sistema Soluva, je Dörte Eggers celo simuliral kapljice kašlja okužene osebe v pisarni in učilnici. V šestih mesecih je ekipa razvila sedem različic sistema Soluva, ki so bile vse virtualno zasnovane s CFD.

»Bili smo pod velikim časovnim pritiskom,« poroča Larisa von Riewel. »Modeliranje virtualnega kašlja je bilo za nas nekaj novega. Vendar pa je Siemens v sodelovanju z Airbusom organiziral spletni seminar o skupnih raziskavah na področju modeliranja kašlja. Ta raziskava nam je pomagala izračunati verjetnost prenosa v prostoru.« Siemensova prodaja in podpora sta prav tako pripomogli k uspešnem trženju sistema 

Soluva. 

Dejanski »preizkus« virtualne zasnove je bilo seveda praktično testiranje. Heraeusova ekipa je testirala Soluvo v eksperimentalnih poskusih, ki so jih izvedli Univerza v Tübingenu, higienski inštitut biotec GmbH in Fraunhoferjev inštitut. S testi, pri katerih so uporabili nadomestke in pravi virus, so potrdili učinkovitost UV-C naprave. Soluva je v petih do šestih minutah odstranila 99,99 % virusov v prazni sobi, ne da bi pri tem zaznali kakršne koli ostanke škodljivega ozona.

Napravo je mogoče namestiti in zagnati v manj kot dveh urah. Mesto Hanau je bilo prvo mesto, ki je v svojih javnih avtobusih uporabljalo sistem Soluva. Pri tem je podjetje Heraeus Noblelight uporabilo program Simcenter FLOEFD za hitro analizo pretoka zraka v avtobusu pred namestitvijo naprave. Z ročnimi enotami ter stensko in stropno različico Soluva zdaj ponuja učinkovito in prilagodljivo UV-dezinfekcijo, na primer za javni prevoz, bolnišnice, pisarne in šole.

Še vedno pa so potrebni običajni varnostni ukrepi, kot so nošenje mask, ohranjanje razdalje in umivanje rok.