LONDON (IT BOLTWISE) – Wissenschaftler der University of Warwick haben ein neues Modell entwickelt, das die Bewegung von Nanopartikeln in der Luft vorhersagen kann. Diese Partikel, die eine bedeutende Kategorie der Luftverschmutzung darstellen, waren bisher schwer genau zu modellieren. Das neue Verfahren ermöglicht es, die Partikelbewegung ohne komplexe Annahmen zu berechnen.
Forscher der University of Warwick haben eine Methode entwickelt, die es ermöglicht, die Bewegung von unregelmäßig geformten Nanopartikeln in der Luft vorherzusagen. Diese Partikel sind eine bedeutende Kategorie der Luftverschmutzung und waren bisher schwer genau zu modellieren. Das neue Verfahren ist das erste, das sowohl einfach als auch prädiktiv ist und es Wissenschaftlern ermöglicht, die Partikelbewegung ohne übermäßig komplexe Annahmen zu berechnen.
Jeden Tag atmen Menschen Millionen mikroskopisch kleiner Partikel ein, darunter Ruß, Staub, Pollen, Mikroplastik, Viren und technisch hergestellte Nanopartikel. Einige dieser Partikel sind so klein, dass sie tief in die Lungen eindringen und sogar in den Blutkreislauf gelangen können. Die Exposition wurde mit ernsthaften Gesundheitsproblemen in Verbindung gebracht, darunter Herzkrankheiten, Schlaganfall und Krebs.
Die meisten in der Luft befindlichen Partikel haben keine glatten oder symmetrischen Formen. Traditionelle mathematische Modelle nehmen jedoch in der Regel an, dass diese Partikel perfekte Kugeln sind, da kugelförmige Formen die Gleichungen leichter lösbar machen. Diese Vereinfachung schränkt die Fähigkeit der Wissenschaftler ein, das Verhalten realer Partikel genau zu verfolgen, insbesondere solcher mit unregelmäßigen Formen, die möglicherweise größere Gesundheitsrisiken darstellen.
Ein Forscher der University of Warwick hat nun die erste einfache Methode eingeführt, die vorhersagen kann, wie Partikel nahezu jeder Form durch die Luft bewegen. Die Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift Journal of Fluid Mechanics Rapids, aktualisiert eine Formel, die mehr als 100 Jahre alt ist und eine bedeutende Lücke in der Aerosolwissenschaft schließt.
Der Durchbruch kam durch einen neuen Blick auf eines der grundlegenden Werkzeuge der Aerosolwissenschaft, bekannt als Cunningham-Korrekturfaktor. Dieser wurde erstmals 1910 eingeführt, um zu erklären, wie sich die Widerstandskräfte auf winzige Partikel von klassischem Fluidverhalten unterscheiden. In den 1920er Jahren verfeinerte der Nobelpreisträger Robert Millikan die Formel. Während dieses Prozesses wurde eine einfachere und allgemeinere Korrektur übersehen. Aufgrund dessen blieben spätere Versionen der Gleichung auf perfekt kugelförmige Partikel beschränkt, was ihre Nützlichkeit für reale Bedingungen einschränkte.
Professor Lockerbys Arbeit strukturiert Cunninghams ursprüngliche Idee in eine breitere und flexiblere Form um. Aus diesem überarbeiteten Rahmen führt er einen „Korrekturtensor“ ein – ein mathematisches Werkzeug, das den Widerstand und die Kräfte berücksichtigt, die auf Partikel jeder Form wirken, einschließlich Kugeln und dünner Scheiben. Wichtig ist, dass die Methode nicht auf empirische Anpassungsparameter angewiesen ist.
Das neue Modell bietet eine stärkere Grundlage für das Verständnis, wie sich in der Luft befindliche Partikel über ein breites Spektrum wissenschaftlicher Felder bewegen. Dazu gehören die Überwachung der Luftqualität, Klimamodellierung, Nanotechnologie und Medizin. Der Ansatz könnte die Vorhersagen darüber verbessern, wie sich Verschmutzung durch Städte ausbreitet, wie sich Rauch von Waldbränden oder Vulkanasche durch die Atmosphäre bewegt und wie sich technisch hergestellte Nanopartikel in industriellen und medizinischen Anwendungen verhalten.
Um diese Arbeit auszubauen, hat die School of Engineering in Warwick in ein neues hochmodernes Aerosolgenerierungssystem investiert. Die Einrichtung ermöglicht es Forschern, eine breite Vielfalt an nicht-kugelförmigen Partikeln unter kontrollierten Bedingungen zu erzeugen und genau zu untersuchen, was dazu beiträgt, die neue prädiktive Methode zu validieren und zu verfeinern.
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