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Investigación y Vinculación
2020-07-06
Propagación de Covid-19: nuevos aportes
U-Mofabi realiza proyecto para predecir la trayectoria de microgotas de saliva en espacios públicos.
Por: Elizabeth Avilés Alguera
Fotografía: Cortesia
Comunicafi
Análisis de dispersión de partículas en centros comerciales

Con el propósito de contribuir a la labor científica por comprender la propagación del SARS-CoV-2, integrantes de la Unidad de Modelación de Flujos Ambientales, Biológicos e Industriales (U-Mofabi), del Centro de Ingeniería Avanzada de la Facultad de Ingeniería (FI) UNAM, llevan a cabo el proyecto de investigación Transporte, dispersión, precipitación y concentración de gotas de saliva en espacios públicos semiconfinados, coordinado por el doctor Rubén Ávila Rodríguez, académico de la FI y responsable de la Unidad.

El equipo, especialista en el tema de predecir el comportamiento del flujo del aire de la atmósfera y la dispersión de partículas de gas y sólidas, que son transportadas por el viento, se dio a la tarea de calcular la trayectoria de las microgotas de saliva emitidas al medio ambiente en tres escenarios particulares: un vagón del metro, un minisúper y una casa habitación.

Al inicio de la pandemia, explicó en entrevista el doctor Ávila Rodríguez, se creía que la principal fuente de contagio eran las gotas de saliva producidas al estornudar, de ahí que una de las medidas de precaución más importantes haya sido el distanciamiento social; sin embargo, la tendencia en el incremento de los nuevos casos de contagio indica que un factor importante en la propagación del virus es el transporte y la dispersión de microgotas de saliva, que al evaporarse se convierten en aerosoles, por el viento atmosférico. El transporte de microgotas, en cuyo interior se localiza el virus, puede alcanzar distancias de gran escala.

El estudio tomó como referencia datos de la literatura científica: la masa promedio que un individuo expulsa en un estornudo (6.7 mg), la velocidad con que las gotas son expulsadas (22 m/s) y la distancia a la que viajan en el ambiente (más de 2 m).

Para conocer la dispersión de partículas en la atmósfera fue necesario determinar las características turbulentas del flujo del aire, ya que la dispersión de microgotas y aerosoles requiere de un «campo de viento» que puede ser inducido por extractores, aire acondicionado y demás sistemas de ventilación en un ambiente confinado.

Posteriormente, basados en diversos métodos numéricos para la solución de las ecuaciones de la dinámica de los fluidos, emplearon programas de cómputo desarrollados en la U-Mofabi y códigos computacionales de uso libre que ya habían utilizado en otros proyectos coordinados por el doctor Ávila.

Traducir de forma visual los resultados de los datos científicos generados de las simulaciones requirió del apoyo del Departamento de Visualización y Realidad Virtual, a cargo de la matemática María del Carmen Ramos Nava, de la Dirección General de Cómputo y de Tecnologías de Información y Comunicación, quien desarrolló las animaciones tridimensionales que permitieron entender el fenómeno de dispersión de partículas en los diferentes espacios.

Escenario 1: Dispersión de partículas en vagones del metro de la CDMX

Víctor Hugo Huitrón Rodríguez, estudiante de maestría en Ingeniería Mecánica e integrante de la U-Mofabi, analizó la dispersión de microgotas de saliva a partir del modelo de un vagón de la línea 8 del metro. Para el cálculo de los diferentes escenarios tomó en consideración los siguientes parámetros: ubicación de los asientos, apertura de las ventanas y puertas, y con los tres ventiladores encendidos o apagados.

Con los extractores apagados y las ventanas abiertas se verificó que las partículas se dispersaban a lo largo y ancho del vagón y se detenían en las paredes, asientos y piso. En el escenario de ventanas y puertas abiertas, con los extractores encendidos, se pudo observar la actividad del aire en pequeños torbellinos. El modelo de dispersión de partículas ha sido incorporado recientemente y ofrece resultados que permiten predecir la trayectoria y concentración de aerosoles en el interior del vagón del metro.

Oscar Iván Rocha López, otro estudiante de maestría, también integrante de la U-Mofabi, tomó como modelo un vagón de la línea 3 con pasajeros que ocupaban casi la totalidad de asientos y que, a su vez, se encontraba detenido en un andén con siete ventiladores funcionando, y las cuatro puertas y seis ventanas abiertas. Analizando los campos de velocidad dentro del vagón, se observó que las corrientes provenientes de los ventiladores hacían que la circulación del aire fuera del interior del vagón hacia el exterior. Para este caso, están por implementar el algoritmo de dispersión de partículas de saliva.

Escenario 2: Efecto de un estornudo fuera de una casa habitación

Asociado al confinamiento y a las recomendaciones de tener los espacios iluminados y ventilados, una de las líneas de investigación del proyecto es calcular las corrientes de aire alrededor y al interior de una casa o edificio para observar y predecir cómo los aerosoles se concentran y dispersan. Esto debido a que es posible que el virus se pueda impregnar en los contaminantes y llegue a alterar un ambiente interno.

Oscar Rocha analizó el escenario de una casa que mantenía las ventanas y puertas internas abiertas. Observó que las partículas de estornudo afectaban la planta alta de la casa al desplazarse por las corrientes de aire que entraban por las ventanas en una brisa suave a moderada. En opinión del doctor Ávila esto podría ser un parteaguas para consideraciones futuras en el diseño de casas e instalación de aire acondicionado.

Escenario 3: Minisúper y los espacios comerciales

Antonio Gutiérrez Santillán, estudiante de Ingeniería Mecánica e integrante de la U-Mofabi, planteó un esquema de una tienda de conveniencia que contempló la ubicación de estantes, seis personas (de las cuales dos estornudarían) y la incorporación de extractores comerciales en la parte superior del espacio. Para analizar la dispersión de partículas realizó dos simulaciones a bajas y altas velocidades de los extractores.

En el primer caso, por la posición de los sujetos respecto a los extractores, las partículas de saliva de la primera persona quedaron en el suelo, mientras que las de la segunda se impactaron contra un estante. En la segunda simulación, a altas velocidades, las corrientes de aire transportaron las partículas y, a su vez, se identificaron zonas estáticas alejadas de las corrientes donde las partículas se movían lentamente y, en consecuencia, serían consideradas zonas de alto riesgo.

En todos los casos, aclaró el doctor Rubén Ávila, fueron incorporados dos modelos: el que calcula el campo de velocidades y el de dispersión de partículas, este último permite identificar los cuerpos sólidos y con ello determinar la concentración sobre superficies sólidas y en el ambiente.

Actualmente, la U-Mofabi está integrada por diez personas, entre investigadores y estudiantes de licenciatura y posgrado, que se encuentran analizando otros escenarios: un salón de clases de la FI, salas de cine y concierto, cabinas de avión y aeropuertos, entre otros.

Hacia una nueva normalidad

Con la transición hacia la nueva normalidad y la apertura de los diversos sectores económicos, este tipo de estudios basados en principios fundamentales de la física cobran pertinencia en la toma de medidas precautorias y el establecimiento de bases de regulación de los sistemas naturales y artificiales de ventilación en los espacios públicos y privados. Por ello, el equipo busca difundir los resultados del proyecto en plataformas digitales, con el fin sensibilizar a representantes de los sectores público y privado para que se interesen en llevar a cabo estudios enfocados en la dispersión de gotas de saliva que respalden la toma de decisiones en beneficio de la salud pública.