Ερευνήτρια βελτιώνει εξίσωση ενός αιώνα για την πρόβλεψη της κίνησης επικίνδυνων ατμοσφαιρικών ρύπων

Μια νέα μέθοδος που αναπτύχθηκε στο Πανεπιστήμιο του Warwick προσφέρει τον πρώτο απλό και προβλέψιμο τρόπο για τον υπολογισμό του πώς κινούνται στον αέρα ακανόνιστης μορφής νανοσωματίδια – μια επικίνδυνη κατηγορία ατμοσφαιρικών ρύπων.

Η σημασία των ακανόνιστων σωματιδίων

Καθημερινά, αναπνέουμε εκατομμύρια μικροσκοπικά σωματίδια: αιθάλη, σκόνη, γύρη, μικροπλαστικά, ιούς και συνθετικά νανοσωματίδια. Πολλά από αυτά είναι αρκετά μικρά ώστε να διεισδύουν βαθιά στους πνεύμονες και να φτάνουν στο αίμα, συμβάλλοντας σε ασθένειες όπως καρδιοπάθεια, εγκεφαλικό επεισόδιο και καρκίνο.

Τα περισσότερα σωματίδια έχουν ακανόνιστο σχήμα, όμως τα μαθηματικά μοντέλα που χρησιμοποιούνται για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς τους θεωρούν ότι είναι τέλεια σφαιρικά, απλώς επειδή έτσι λύνονται ευκολότερα οι εξισώσεις. Αυτή η παραδοχή δυσκολεύει την παρακολούθηση και την πρόβλεψη της κίνησης πραγματικών, μη σφαιρικών – και συχνά πιο επικίνδυνων – σωματιδίων.

Αναθεώρηση μιας εξίσωσης του 1910

Ο καθηγητής Duncan Lockerby από το School of Engineering του Πανεπιστημίου του Warwick ανέπτυξε την πρώτη απλή μέθοδο για να προβλέπεται η κίνηση ακανόνιστων σωματιδίων οποιουδήποτε σχήματος. Η έρευνα, που δημοσιεύθηκε στο Journal of Fluid Mechanics, αναδιατυπώνει μια εξίσωση ηλικίας εκατό ετών, γεφυρώνοντας ένα βασικό κενό στην επιστήμη των αερολυμάτων.

«Το κίνητρο ήταν απλό: αν μπορούμε να προβλέψουμε με ακρίβεια πώς κινούνται σωματίδια οποιουδήποτε σχήματος, μπορούμε να βελτιώσουμε σημαντικά τα μοντέλα για τη ρύπανση του αέρα, τη μετάδοση ασθενειών και ακόμη και τη χημεία της ατμόσφαιρας», δήλωσε ο Lockerby.

«Αυτή η νέα προσέγγιση βασίζεται σε ένα πολύ παλιό μοντέλο – απλό αλλά ισχυρό – που το καθιστά πλέον εφαρμόσιμο και σε σύνθετα, ακανόνιστα σωματίδια».

Ο παράγοντας διόρθωσης του Cunningham

Η ανακάλυψη προήλθε από την επανεξέταση ενός θεμελιώδους εργαλείου της επιστήμης των αερολυμάτων: του παράγοντα διόρθωσης Cunningham, που αναπτύχθηκε το 1910 για να περιγράψει πώς η αντίσταση (drag) που δέχονται μικροσκοπικά σωματίδια αποκλίνει από τους κλασικούς νόμους των ρευστών.

Τη δεκαετία του 1920, ο Robert Millikan, βραβευμένος με Νόμπελ, βελτίωσε τον τύπο, αλλά αγνόησε μια απλούστερη και πιο γενική διόρθωση. Ως αποτέλεσμα, η σύγχρονη εκδοχή του περιοριζόταν μόνο σε τέλεια σφαιρικά σωματίδια.

Ο Lockerby επαναδιατύπωσε την αρχική ιδέα του Cunningham σε πιο γενική μορφή και εισήγαγε ένα «διάνυσμα διόρθωσης» (correction tensor) – ένα μαθηματικό εργαλείο που περιγράφει πλήρως τις δυνάμεις αντίστασης και έλξης που ασκούνται σε σωματίδια οποιουδήποτε σχήματος, χωρίς να χρειάζονται εμπειρικές παράμετροι προσαρμογής.

Νέες εφαρμογές για την υγεία και το περιβάλλον

«Αυτή η μελέτη επαναφέρει το αρχικό πνεύμα του έργου του Cunningham του 1910», σημείωσε ο Lockerby.

«Γενικεύοντας τον παράγοντά του, μπορούμε πλέον να προβλέπουμε με ακρίβεια την κίνηση μη σφαιρικών σωματιδίων χωρίς πολύπλοκες προσομοιώσεις. Είναι το πρώτο πλαίσιο που μας επιτρέπει να κατανοήσουμε πραγματικά πώς ταξιδεύουν τα νανοσωματίδια στον αέρα – κάτι κρίσιμο για την περιβαλλοντική υγεία και την επιστήμη των αερολυμάτων».

Το νέο μοντέλο παρέχει μια πιο σταθερή βάση για την κατανόηση της κίνησης των αερομεταφερόμενων σωματιδίων – από τη μοντελοποίηση της ποιότητας του αέρα και του κλίματος, έως τη νανοτεχνολογία και την ιατρική. Μπορεί να βοηθήσει τους ερευνητές να προβλέπουν καλύτερα πώς εξαπλώνονται οι ρύποι στις πόλεις, πώς κινούνται ηφαιστειακή τέφρα ή καπνός από πυρκαγιές, ή πώς συμπεριφέρονται τα μηχανικά νανοσωματίδια στη βιομηχανία και στη φαρμακευτική χορήγηση.

Το νέο σύστημα στο Warwick

Για να επεκτείνουν αυτήν τη σημαντική πρόοδο, το School of Engineering του Warwick έχει επενδύσει σε ένα νέο, υπερσύγχρονο σύστημα παραγωγής αερολυμάτων, που θα επιτρέψει στους ερευνητές να παράγουν και να μελετούν με ακρίβεια μια ευρύτερη ποικιλία πραγματικών, μη σφαιρικών σωματιδίων.

Ο καθηγητής Julian Gardner, συνεργάτης του Lockerby, δήλωσε:

«Αυτή η νέα εγκατάσταση θα μας επιτρέψει να μελετήσουμε πώς συμπεριφέρονται τα πραγματικά ατμοσφαιρικά σωματίδια υπό ελεγχόμενες συνθήκες, βοηθώντας μας να μετατρέψουμε αυτή τη θεωρητική ανακάλυψη σε πρακτικά εργαλεία για το περιβάλλον».