배너 사진: 강력한 녹색 레이저는 물을 내릴 때 변기에서 나오는 에어로졸 기둥을 시각화하는 데 도움이 됩니다. (제공: 패트릭 캠벨/CU 볼더)
새로운 CU Boulder 연구 덕분에 과학자들은 완전히 새로운 관점에서 변기 물 내리는 효과를 보고 있으며 이제 세상도 그렇게 할 수 있습니다.
밝은 녹색 레이저와 카메라 장비를 사용하여 CU Boulder 엔지니어 팀은 육안으로 볼 수 없는 작은 물방울이 뚜껑이 없는 공중 화장실 물을 내릴 때 공기 중으로 빠르게 분출되는 방식을 밝히기 위한 실험을 수행했습니다. 현재 게시됨 과학 보고서결과 에어로졸 기둥을 직접 시각화하고 그 안에 있는 입자의 속도와 확산을 측정한 최초의 연구입니다.
이러한 휘발성 입자는 병원균을 옮기는 것으로 알려져 있으며 대중목욕탕 방문객에게 위험을 초래할 수 있습니다. 그러나 잠재적인 질병 노출에 대한 이 생생한 시각화는 또한 이를 줄이는 데 도움이 되는 방법론을 제공합니다.
“보이지 않는 것이 있으면 없는 척하기 쉽습니다. 하지만 이 비디오를 본 후에는 변기 물 내리기에 대해 같은 방식으로 다시는 생각하지 않을 것입니다.” 존 크리말디, 연구의 주 저자이자 토목, 환경 및 건축 공학 교수. “이 과정을 흥미로운 시각 자료로 만들어서 우리 연구는 공중 보건 메시지에서 중요한 역할을 할 수 있습니다.”
연구원들은 변기 물을 내릴 때 설계에 따라 고형물과 액체가 빠지지만 작고 눈에 보이지 않는 입자도 공기 중으로 방출된다는 사실을 60년 이상 알고 있었습니다. 이전 연구에서는 과학적 도구를 사용하여 수세식 변기 위에 이러한 공기 중 입자의 존재를 감지하고 더 큰 입자가 주변 표면에 떨어질 수 있음을 보여 주었지만 지금까지 아무도 이러한 기둥이 어떻게 생겼는지 또는 입자가 어떻게 거기에 도달했는지 이해하지 못했습니다.
대장균, 클로스트리디움 디피실, 노로바이러스 및 아데노바이러스와 같은 병원균을 전달할 수 있는 이러한 입자의 궤적과 속도를 이해하는 것은 소독 및 환기 전략 또는 개선된 화장실 및 수세식 디자인을 통해 노출 위험을 완화하는 데 중요합니다. COVID-19(SARS-CoV-2)를 유발하는 바이러스는 사람의 배설물에 존재하지만 현재 화장실 스프레이를 통해 효율적으로 퍼진다는 결정적인 증거는 없습니다.
크리말디는 “사람들은 변기가 물보라를 뿜는다는 것을 알고 있었지만 그것을 볼 수는 없었다”고 말했다. “이런 컨셉을 아는 사람들보다 훨씬 활발하고 널리 퍼지는 칼럼임을 보여주고 있습니다.”
이 연구에서는 이러한 공기 중의 입자가 초당 6.6피트(2미터)의 속도로 빠르게 이동하여 8초 이내에 변기 위 4.9피트(1.5미터)에 도달한다는 사실을 발견했습니다. 큰 물방울은 몇 초 안에 표면에 가라앉는 반면, 작은 입자(5미크론 또는 100만분의 1미터 미만의 에어로졸)는 몇 분 이상 공기 중에 떠 있을 수 있습니다.
화장실을 가는 사람들이 걱정해야 하는 것은 자신의 쓰레기만이 아닙니다. 다른 여러 연구에서는 병원균이 수십 번 깜박이는 동안 용기에 남아 잠재적 노출 위험을 증가시킬 수 있음을 보여주었습니다.
크리말디는 “변기의 목적은 변기에서 오물을 효과적으로 제거하는 것이지만 그 반대의 역할도 한다. “우리 연구실은 이 문제를 개선하고 완화하기 위한 기반을 제공하는 방법론을 만들었습니다.”
위: 박사후 연구원인 Aaron True(왼쪽)와 John Crimaldi가 장치를 들고 포즈를 취하고 있습니다. 하단: 강력한 녹색 레이저는 물을 내릴 때 변기에서 나오는 에어로졸 기둥을 시각화하는 데 도움이 됩니다. (제공: 패트릭 캠벨/CU 볼더)
시간 낭비가 아니야
Crimaldi는 파일을 실행합니다. 환경유체역학 연구실 레이저 기반 장치, 염료 및 거대한 유체 탱크를 사용하여 모든 것을 연구하는 CU Boulder에서 냄새는 어떻게 우리 코에 도달합니까? 난기류의 수역에서 화학 물질이 어떻게 움직이는 지. 실험실 기술을 사용하여 변기 물을 내린 후 공기에서 일어나는 일을 추적한다는 아이디어는 편리함, 호기심 및 상황 중 하나였습니다.
지난 6월 한가한 주간에 동료 교수들은 칼 린든 그리고 마크 헤르난데즈 환경 공학 프로그램의 박사와 Crimaldi 연구실의 대학원생 몇 명이 그와 함께 실험을 설정하고 실행했습니다. 연구의 두 번째 저자이자 Crimaldi 연구소의 연구 파트너인 Aaron True는 연구를 위한 레이저 기반 측정을 실행하고 기록하는 데 중요한 역할을 했습니다.
그들은 두 개의 레이저를 사용했습니다. 하나는 변기 위에서 지속적으로 비추는 것이고 다른 하나는 동일한 영역에 빠른 펄스를 보내는 것입니다. 고정식 레이저는 공기 중의 입자가 우주의 어디에 있는지 감지하고 맥동 레이저는 속도와 방향을 측정할 수 있습니다. 한편 두 대의 카메라가 고해상도 사진을 찍었습니다.
변기 자체는 북미의 공중 화장실에서 일반적으로 볼 수 있는 것과 동일한 유형이었습니다. 수동 또는 자동의 원통형 플러싱 메커니즘이 수반되는 뚜껑이 없는 장치로, 플러시미터 스타일 밸브로 알려진 벽에 가까운 뒤쪽에 움푹 패였습니다. 새 깨끗한 변기는 수돗물로만 채워져 있었습니다.
그들은 이 갑작스러운 실험이 시간 낭비일 수 있다는 것을 알고 있었지만, 그 대신에 그 연구는 엄청난 힘을 얻었습니다.
크리말디는 “우리는 이 에어로졸이 일종의 부유물이 될 것으로 예상했지만 로켓처럼 나왔다”고 말했다.
활기차고 공중에 떠 있는 물 분자는 대부분 뒤쪽 벽을 향해 위로 올라갔다가 다시 되돌아오지만 그들의 움직임은 예측할 수 없었습니다. 샤프트도 실험실 천장까지 올라갔고, 갈 곳이 없었기 때문에 벽에서 바깥쪽으로 이동하여 앞으로 퍼져나가 방으로 들어갔습니다.
실험 설정에는 그릇에 고형 폐기물이나 화장지가 포함되지 않았으며 노점이나 이동하는 사람이 없었습니다. 이러한 실제 변수는 모두 문제를 악화시킬 수 있다고 Crimaldi는 말했습니다.
그들은 또한 작은 튜브를 통해 공기 샘플을 흡입하고 그 위에 빛을 비추어 입자를 세고 측정할 수 있는 장치인 광학 입자 계수기를 사용하여 공기 중의 입자를 측정했습니다. 작은 입자는 공기 중에 더 오래 떠 있을 뿐만 아니라 코털에서 빠져나와 폐 깊숙이 도달할 수 있어 인체 건강에 더 위험하므로 입자의 수와 크기를 아는 것도 중요했습니다.
이러한 결과가 놀라울 수 있지만 이 연구는 배관 및 공중 보건 전문가에게 공중 화장실에서 병원균에 대한 노출 위험을 줄이기 위해 개선된 배관 디자인, 소독 및 환기 전략을 테스트할 수 있는 일관된 방법을 제공합니다.
크리말디는 “에어로졸 기둥이 어떻게 진화하고 어떻게 움직이는지 알지 못하면 이러한 개선은 효과적으로 이루어질 수 없다”고 말했다. “이 보이지 않는 기둥을 볼 수 있다는 것은 게임 체인저입니다.”
이 간행물의 추가 저자로는 토목, 환경 및 건축 공학부의 Aaron True, Carl Linden, Mark Hernandez, Lars Larsson 및 Anna Pauls가 있습니다.
“경순은 통찰력 있고 사악한 사상가로, 다양한 음악 장르에 깊은 지식을 가지고 있습니다. 힙스터 문화와 자연스럽게 어우러지는 그의 스타일은 독특합니다. 그는 베이컨을 좋아하며, 인터넷 세계에서도 활발한 활동을 보여줍니다. 그의 내성적인 성격은 그의 글에서도 잘 드러납니다.”