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 에 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, 아데노바이러스와 같은 병원균을 전파할 수 있는 이러한 입자의 궤적과 속도를 이해하는 것은 소독 및 환기 전략 또는 개선된 변기 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 변기의 오물을 효과적으로 제거하는 것이지만 그 반대의 역할도 한다. “우리 연구실은 이 문제를 개선하고 완화하기 위한 기반을 제공하는 방법론을 만들었습니다.”

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 같은 유형이었습니다. 수동 또는 자동의 원통형 플러싱 메커니즘이 있는 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 방으로 앞으로 퍼졌습니다.

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.