CU-Wissenschaftler beleuchten, was auftaucht, wenn Sie spülen | CU Boulder heute

Bannerbild: Ein starker grüner Laser hilft, die Aerosolwolken einer Toilette zu visualisieren, wenn sie gespült wird. (Bildnachweis: Patrick Campbell / CU Boulder)

Dank neuer Forschungsergebnisse der CU Boulder sehen Wissenschaftler die Auswirkungen der Toilettenspülung in einem ganz neuen Licht – und jetzt kann die Welt das auch.

Mit hellgrünen Lasern und Kameraausrüstung führte ein Team von CU Boulder-Ingenieuren ein Experiment durch, um zu zeigen, wie winzige Wassertröpfchen, die mit bloßem Auge unsichtbar sind, schnell in die Luft ausgestoßen werden, wenn eine öffentliche Toilette ohne Deckel gespült wird. Jetzt veröffentlicht in Wissenschaftliche Berichteist es die erste Studie, die die resultierende Aerosolfahne direkt visualisiert und die Geschwindigkeit und Ausbreitung von Partikeln darin misst.

Diese aerosolisierten Partikel sind dafür bekannt, Krankheitserreger zu transportieren, und könnten ein Expositionsrisiko für Besucher öffentlicher Toiletten darstellen. Diese anschauliche Visualisierung einer potenziellen Krankheitsanfälligkeit bietet jedoch auch eine Methode, um diese zu reduzieren.

„Wenn es etwas ist, das man nicht sehen kann, ist es leicht, so zu tun, als würde es nicht existieren. Aber sobald Sie diese Videos sehen, werden Sie nie wieder auf die gleiche Weise über eine Toilettenspülung nachdenken“, sagte John Crimaldi, Hauptautor der Studie und Professor für Bau-, Umwelt- und Architekturingenieurwesen. „Durch die Erstellung dramatischer visueller Bilder dieses Prozesses kann unsere Studie eine wichtige Rolle bei der öffentlichen Gesundheitskommunikation spielen.“

Forscher wissen seit über 60 Jahren, dass beim Spülen einer Toilette Feststoffe und Flüssigkeiten wie vorgesehen nach unten gehen, aber auch winzige, unsichtbare Partikel in die Luft freigesetzt werden. Frühere Studien haben wissenschaftliche Instrumente verwendet, um das Vorhandensein dieser luftgetragenen Partikel über Toilettenspülungen zu erkennen und gezeigt, dass größere Partikel auf umgebenden Oberflächen landen können, aber bis jetzt hat niemand verstanden, wie diese Schwaden aussahen oder wie die Partikel dorthin gelangten.

Das Verständnis der Flugbahnen und Geschwindigkeiten dieser Partikel – die Krankheitserreger wie E. coli, C. difficile, Noroviren und Adenoviren transportieren können – ist wichtig, um das Expositionsrisiko durch Desinfektions- und Belüftungsstrategien oder verbesserte Toiletten- und Spüldesigns zu mindern. Während das Virus, das COVID-19 (SARS-CoV-2) verursacht, in menschlichen Ausscheidungen vorhanden ist, gibt es derzeit keine schlüssigen Beweise dafür, dass es sich effizient durch Toilettenaerosole verbreitet.

„Die Leute wussten, dass Toiletten Aerosole abgeben, aber sie konnten sie nicht sehen“, sagte Crimaldi. „Wir zeigen, dass dieses Ding eine viel energischere und sich schneller ausbreitende Wolke ist, als selbst die Leute, die davon wussten, verstanden haben.“

Die Studie ergab, dass diese in der Luft befindlichen Partikel schnell mit einer Geschwindigkeit von 6,6 Fuß (2 Meter) pro Sekunde herausschießen und innerhalb von 8 Sekunden 1,5 Meter (4,9 Fuß) über der Toilette erreichen. Während die größten Tröpfchen dazu neigen, sich innerhalb von Sekunden auf Oberflächen abzusetzen, können die kleineren Partikel (Aerosole mit einer Größe von weniger als 5 Mikron oder einem Millionstel Meter) minutenlang oder länger in der Luft schweben.

Badegäste müssen sich nicht nur um ihren eigenen Abfall kümmern. Viele andere Studien haben gezeigt, dass Krankheitserreger für Dutzende von Spülungen in der Schüssel verbleiben können, was das potenzielle Expositionsrisiko erhöht.

„Das Ziel der Toilette ist es, Abfall effektiv aus der Schüssel zu entfernen, aber sie tut auch das Gegenteil, indem sie viel Inhalt nach oben spritzt“, sagte Crimaldi. „Unser Labor hat eine Methodik entwickelt, die eine Grundlage für die Verbesserung und Minderung dieses Problems bietet.“

Keine Zeitverschwendung

Crimaldi leitet das Ecological Fluid Dynamics Lab an der CU Boulder, das sich auf die Verwendung laserbasierter Instrumente, Farbstoffe und riesiger Flüssigkeitstanks spezialisiert hat, um alles zu untersuchen, von der Art und Weise, wie Gerüche unsere Nasenlöcher erreichen, bis hin zur Bewegung von Chemikalien in turbulenten Gewässern. Die Idee, die Technologie des Labors zu verwenden, um zu verfolgen, was in der Luft passiert, nachdem eine Toilette gespült wurde, war eine Frage der Bequemlichkeit, Neugier und der Umstände.

Während einer freien Woche im vergangenen Juni schlossen sich die Professorkollegen Karl Linden und Mark Hernandez vom Environmental Engineering Program und mehrere Doktoranden aus Crimaldis Labor ihm an, um das Experiment aufzubauen und durchzuführen. Aaron True, Zweitautor der Studie und wissenschaftlicher Mitarbeiter in Crimaldis Labor, war maßgeblich an der Durchführung und Aufzeichnung der laserbasierten Messungen für die Studie beteiligt.

Sie verwendeten zwei Laser: Einer leuchtete kontinuierlich auf und über der Toilette, während der andere schnelle Lichtimpulse über denselben Bereich aussandte. Der konstante Laser zeigte, wo sich die schwebenden Partikel im Weltraum befanden, während der pulsierende Laser ihre Geschwindigkeit und Richtung messen konnte. Währenddessen nahmen zwei Kameras hochauflösende Bilder auf.

Die Toilette selbst war die gleiche Art, wie man sie häufig in öffentlichen Toiletten in Nordamerika sieht: eine deckellose Einheit, begleitet von einem zylindrischen Spülmechanismus – ob manuell oder automatisch – der von der Rückseite in der Nähe der Wand herausragt, bekannt als Flushometer-Ventil. Die nagelneue, saubere Toilette war nur mit Leitungswasser gefüllt.

Sie wussten, dass dieses spontane Experiment Zeitverschwendung sein könnte, aber stattdessen sorgte die Forschung für Furore.

„Wir hatten erwartet, dass diese Aerosolpartikel einfach nach oben schweben würden, aber sie kamen wie eine Rakete heraus“, sagte Crimaldi.

Die energiegeladenen Wasserpartikel in der Luft bewegten sich hauptsächlich nach oben und hinten zur Rückwand, aber ihre Bewegung war unvorhersehbar. Die Wolke stieg auch bis zur Decke des Labors und bewegte sich nirgendwo anders hin, bewegte sich von der Wand nach außen und breitete sich nach vorne in den Raum aus.

Der Versuchsaufbau enthielt keine festen Abfälle oder Toilettenpapier in der Schüssel, und es gab keine Verkaufsstände oder Menschen, die sich bewegten. Diese realen Variablen könnten das Problem noch verschlimmern, sagte Crimaldi.

Sie maßen auch die luftgetragenen Partikel mit einem optischen Partikelzähler, einem Gerät, das eine Luftprobe durch ein kleines Röhrchen ansaugt und mit Licht bestrahlt, wodurch die Partikel gezählt und gemessen werden können. Kleinere Partikel schweben nicht nur länger in der Luft, sondern können Nasenhaaren entkommen und tiefer in die Lunge eindringen – was sie gefährlicher für die menschliche Gesundheit macht – daher war es auch wichtig zu wissen, wie viele Partikel sie haben und welche Größe sie haben.

Auch wenn diese Ergebnisse beunruhigend sein mögen, bietet die Studie Experten für Sanitär und öffentliche Gesundheit eine konsistente Möglichkeit, verbessertes Sanitärdesign sowie Desinfektions- und Belüftungsstrategien zu testen, um das Expositionsrisiko gegenüber Krankheitserregern in öffentlichen Toiletten zu verringern.

„Keine dieser Verbesserungen kann effektiv durchgeführt werden, ohne zu wissen, wie sich die Aerosolwolke entwickelt und wie sie sich bewegt“, sagte Crimaldi. „In der Lage zu sein, diese unsichtbare Wolke zu sehen, ist ein Game-Changer.“

Zu den weiteren Autoren dieser Veröffentlichung gehören: Aaron True, Karl Linden, Mark Hernandez, Lars Larson und Anna Pauls vom Department of Civil, Environmental, and Architectural Engineering.