粗悪な、間に合わせの空気清浄機が新型コロナウイルス感染症対策に役立つか？

一度説明してもらえると、このアイデアは実にシンプルに思えます。新型コロナウイルス感染症（COVID-19）を引き起こすウイルスは、唾液の微細な飛沫を介して空気中を伝わり、人から人へと感染します。マスクはそれらの飛沫の一部を遮断します。しかし、もし（文字通りの想像ですが）空気そのものからこれらの粒子を除去できたらどうなるでしょうか？

エアロゾルと室内空気質を研究する研究者たちは、新型コロナウイルス感染症の伝染には空気感染の要素があると、科学界（世界保健機関、米国保健福祉省）を（ほぼ）（ついに）納得させた。そして今、同じエアロゾル専門家の一部は、この換気方法は良い考えだと考え始めている。病院や高層ビルにあるような、フィルターや場合によっては殺菌用の紫外線ライトまで備えた、大規模で複雑な中央空調システムがあれば素晴らしいだろう。500ドルの空気清浄機は、人に感染する前に感染性の粒子を部屋から取り除くのに本当に効果があるかもしれない。しかし、一部の専門家は、市販のフィルターを20ドルのボックスファンに取り付けるだけでも効果があるかもしれないと推測している。安価で、感染リスクをゼロにまではできないまでも、ウイルスを含んだ粒子を空気中から取り除くことはできるだろう。 「2日前まで、誰かに指摘されるまで、思いつきもしなかったのですが」とコロラド大学ボルダー校のエアロゾル科学者ホセ・ルイス・ヒメネス氏は言う。「でも、素晴らしいアイデアだと思います。」

最近のZoom通話で、ポートランド州立大学マシー工学・コンピュータサイエンス学部長で室内空気質の専門家でもある環境エンジニアのリチャード・コーシ氏が、フォルジャーズコーヒーの箱を手に持ち、片側にファン、そして他の3～4面にフィルターを設置することで、ファンの前にフィルターを設置した際に生じる「圧力低下」を抑えつつ、部屋全体に空気を循環（そして浄化）できる仕組みを説明してくれました。「この話を聞いて、すごくワクワクしています。あまり時間がないのですが、プロトタイプを作るのにぴったりです」とコーシ氏は言います。「まだロックダウン中でなければ、4年生のチームプロジェクトとして素晴らしい成果を上げていたでしょう」

その理論の一部を紹介しよう。SARS-CoV-2ウイルスに感染した人は、より多くのウイルスを作り出す。ウイルスは、話したり、歌ったり、呼吸したり、咳をしたりすると口や鼻から排出され、唾や鼻水の塊に含まれ、その大きさは髪の毛ほどのものから、高級デジタルカメラのセンサーの1ピクセルに収まるほどの極小サイズまで様々だ。科学者たちは長らく、いくぶん恣意的に、弾道的に飛び散り、数メートル後に地面などの表面に落ちる（誰かの目、鼻、または喉に入らない限り）大きな「液滴」と、蒸気のように風やそよ風に乗って漂う極小の「エアロゾル」を区別してきた。そして、COVID-19に感染しているが症状がない人（この病気の一般的な拡散者）は、これらの小さな浮遊粒子を放出する。

マスクは、自分自身が不潔な粒子を放出するのを防ぐ良い方法です。誰もスーパースプレッディングの主人公になりたくはありませんよね？しかし、空気中の粒子を完全に除去することは、建物全体の空調・空調システムの起源のように思われます。病院の空調システムは、建物内の空気を1日に12回も循環させ、古い空気を外に出して新鮮な空気を取り入れます。しかし、高齢者施設のレクリエーションルームや公立学校の教室はどうでしょうか？あるいは公立学校の50教室？あるいはあなたの家はどうでしょうか？

査読済みの科学的な知見を少し見ると、自家製の工夫が効果的かもしれないという。シンガポールで行われたある研究では、エアロゾル化したウイルスではなく、インドネシアの山火事の煤と煙を対象としていた。窓に取り付けたシンプルなフィルターとファンで空気を室内に取り込むことで、1～10ミクロンの粒子状物質を約75%削減できたという。これは示唆に富む。研究で使用された粒子は煙と煤からのものだったが、呼吸から発生するウイルスを含んだより小さな粒子のサイズ範囲内であり、ここで重要なのは呼吸による粒子のサイズだ。

他の研究者たちは、室内サイズのポータブル空気清浄機と、それらが空気感染性疾患に与える影響について研究してきました。1980年代半ば、カリフォルニア大学バークレー校の研究者たちは、新しい建築技術によって気密性が向上した建物では、新鮮な空気の換気をあまり行わずに、HEPAフィルターを使用することで空気中の「吸入可能な粒子」を大幅に削減できることを発見しました。1990年代半ばには、バークレー校の別のチームが、HEPAフィルターの品質を持ち、効果はやや劣るポータブル型と天井設置型のフィルターを使用することで、結核菌を運ぶ空気中の粒子を同様に効果的に削減できることを示しました。（利用可能な技術とその効果に関する最近のまとめはこちらです。）

都合の良いことに、シンガポールの研究者たちはHEPAフィルターを使用していませんでした。HEPAフィルターとは「高効率微粒子空気」の略で、0.3ミクロン以上の粒子を99.97%捕集する優れた性能を持っています。（実際には、小さな物体とフィルター素材の複雑な物理特性により、さらに小さな粒子も捕集します。）

問題は、HEPAフィルターが高価であり、それを使用する現代の暖房、換気、空調システムも同様に高価だということです。最高級の室内空気清浄機は数百ドルもします。しかし、安価なDIY空気清浄機でもCOVID-19のリスクを軽減できる可能性があります。シンガポールの研究者たちはMERV-13フィルター（「最小効率報告値」の略）を使用しましたが、完璧さは必ずしも目標ではありませんでした。目指すのは低減です。ペンシルベニア州立大学の建築エンジニア、ウィリアム・バーンフレス氏が示したように、HEPAフィルターはMERVスケールの最高値でベルを鳴らしますが、理想的なMERV-13フィルターは0.1ミクロンの粒子のほぼ半分と、1ミクロン以上の粒子をほぼすべて捕捉します。これは、ウイルスを運ぶ粒子も捕捉するのに適したサイズです。

ホームデポでは、厚さ1インチ、20×20インチのMERV-13フィルターを1枚約10ドルで販売しています。ベストバイでは、20×20インチのボックスファンを26.99ドルで販売しています。これらを組み合わせれば（または他の店で同等のものを購入すれば）、自家製濾過ファンの完成です。テキサスのフィルター製造会社Tex-Air FiltersのCEO、ジム・ローゼンタール氏は、フィルターをファンの吸気側、つまり空気を吹き出す側ではなく吸い込む側に取り付けることを推奨しています（フィルターの矢印（見てください）はファンを指しているはずです）。まず室内の空気がフィルターに吸い込まれ、ファンがきれいな空気を吹き出します。これは、住宅用エアコンの仕組みである「ブロースルー」ではなく「プルスルー」です。ローゼンタール氏によると、DIYバージョンでは、圧力によってフィルターがファンにしっかりと引き寄せられるとのことです。おそらくテープは必要になるでしょう。ガファーテープかダクトテープかは、ご自身の信念に合わせてお選びください。いずれにせよ、空気の隙間はここでは大敵です。

通風がない場合は、ボックスファンとフィルターを部屋の中央に設置するだけで済みます。「このタイプの設置は、基本的に外気を取り入れられない状況で特に便利です。例えば、銃撃事件があったり、建物の形状が原因で窓を開けられない学校などです」とヒメネス氏は言います。「そういう時にこそ、このタイプのものが秀逸です。うちの子の教室にあるのは約350ドルですが、同じような機能を持つものを50ドルで作ることができます。どれくらいの空気清浄効果があるかは確認してみないと分かりませんが、コストは5分の1か10分の1くらいです。」

いい質問ですね。どれくらいの空気が浄化されるのでしょうか？ポータブル空気清浄機は、「清浄空気供給率」（CADR）と呼ばれる数値で表されます。これは、フィルターが空気中の汚れを除去する効率と、システムを通過する空気の速度を組み合わせたものです。CADRは1分あたりの立方フィートで表され、クリーンビルディングの研究者たちは現在、教室の空気を1時間ごとに5回完全に入れ替えることを推奨しています。つまり、理想的には、部屋の面積とフィルターのCADRを使って、必要な清浄機のサイズや台数を計算することになります。（CADRも万能ではありません。CADRの計算は、研究者が「よく混合された箱」と呼ぶ、つまり部屋全体で空気と汚染物質が均一に混合されていることを前提としています。現実世界の病原体は、そのような状態ではありません。）

この件についてローゼンタールに話すと、彼は親切にも、20インチのボックスファンを買ってきて、組み立てて、会社の豊富な試験装置を使って、どれだけ粒子が減るのか試してみると申し出てくれました。彼は実際に4インチ厚のフィルターを使っていました（価格は高いですが、ろ過性能が高く、交換頻度もそれほど高くありません）。

ローゼンタール氏は、ファン/フィルターをテックスエアフィルター社の工場に隣接する工具室に設置した。粒子数を大量に計測したかったのだ。そして、自社の羨望の的となる分析技術の数々を駆使して計測を行った。ファンを稼働させても、0.3ミクロンの粒子の総数はわずか25%ほどしか減少しなかった。しかし、これは重要な範囲ではないことを忘れてはならない。ウイルスは実に小さいが、空気中ではもっと大きく（それでもかなり小さい）乾燥したタンパク質と塩の塊の中にいる。空気感染の問題として漂うウイルスは1～50ミクロンだが、ローゼンタール氏が行った非公式のテストでは、1～10ミクロンの粒子が大きな影響を受けた。彼の装置は、1ミクロンの粒子の約60%、10ミクロンの粒子の約90%を空気から吸い取った。

もちろん、これは 1 回の通過の除去効率しか示さず、デバイスを通過する体積流量を示すものではありません。ローゼンタール氏はそのような装置は持っていませんでしたが、流出部に風速計を使用しました。これは、ご想像のとおりイソギンチャクを測定する装置ではなく、風車のような対気速度センサーです。フィルターがない場合、ファンを中程度の設定にすると、風速は毎分 780 フィートになりました。厚さ 1 インチの MERV-13 フィルターを使用すると、風速は毎分 320 フィートに低下しました。しかし、直感に反して、厚さ 4 インチのフィルターでは、対気速度は毎分 460 フィートになりました。これは、ファンが正圧、つまり押し出す力を生成するためです。「正圧はフィルター領域全体に分散されます。フィルターの表面積とフィルターのメディア領域は別問題です」とローゼンタール氏は言います。「プリーツ フィルターを使用すると、メディア領域が大幅に増えるため、圧力がより広いメディア領域に分散され、結果として空気の流れが大きくなります。」

言い換えると、フィルターが厚くなると濾過能力が高まり、空気の流れが良くなるため、より多くの外気が部屋に入ってきて、ウイルスを含んだ可能性のある粒子が入れ替わったかのように部屋をリフレッシュできます。

しかし、ローゼンタール氏は、このような非公式な装置のCADRを計算することは敢えてしない。「これは単にボックスファンに高効率フィルターを取り付けただけのものです」と彼は言う。

これはまだ科学ではありません。査読済みの研究でもありません。理想的な条件下で複数回テストされたわけでもありません。誰もこのような統計を取ったことがありません。実験者への警告です。それでも、やる価値はありそうです。そうでしょう？「ええ、もちろんです。これは空気清浄機です。HEPAフィルター搭載の空気清浄機ではありませんが、かなり優秀な空気清浄機です」とローゼンタール氏は言います。「もしそれが唯一の選択肢なら、何もないよりはむしろそうしてもらえると嬉しいですね。」

念のため言っておきますが、これはすべて、ごく基本的なファンに文字通りゴムバンドで固定した基本的なフィルターを使ったものです。効果を高めることは可能かもしれません。メリーランド州在住の引退した経済学者ジム・ウェルズ氏は、物理学者の弟と共にファンフィルターの製作に取り組んでおり、部屋の空気を循環させるために2台のファンフィルターを設置しています。なぜダメなのでしょうか？安いからです。

ここで物理学がいくつか障害となる。フィルターのような厚い媒体に空気を押し込もうとする（または引き込もうとする）ファンは、過熱したり、教会の聖歌隊のリハーサルや教室で使用できないほど騒音を発したりする可能性がある。（私は数年前、カリフォルニアの山火事シーズンの煙に対処するためにHEPAフィルター付きのファンを作ったことがあるが、当時はどちらも大した問題ではないと思っていた。）ウェルズ夫妻は、ファンに降圧トランスを取り付け、標準の120ボルト電源を100ボルトに下げた。これにより、ファンの回転速度が遅くなり、静音化が実現した。彼らは5インチのMERV-13フィルターを前面に取り付け（ローゼンタールのように背面には取り付けない。この点については多少の矛盾がある）、2.5ミクロン以上の微粒子（PM2.5）のレベルを立方メートル当たりマイクログラム単位で測定した。「アナポリスの良質な空気、新鮮な空気は5～7です」とジョン・ウェルズ氏は言う。 「10フィート×12フィートの寝室で、メーターの数値を0.01まで下げることができました。」これはもちろん、長期間にわたる査読による証明ではありませんが、実際に大きな違いです。

ありきたりな解決策と同様、扇風機にフィルターをテープで取り付けるだけではパンデミックを終わらせることはできません。これで終わりではありません。フィルターは定期的に交換する必要があり、コストと管理が多少増えます。また、クイーンズランド工科大学国際空気質・健康研究所のリディア・モラウスカ所長は、室内の微粒子の総量を減らすだけでは、感染を防ぐのに十分な量のウイルスを減らせるとは限らないと述べています。マスクの着用や物理的な距離の確保といった他のリスク低減策も依然として重要です。「他の対策と比べて空気清浄機に重点を置くべきではありません」と彼女は言います。「人はシンプルで簡単なものに固執し、『これが解決策だ』と言う傾向があります。しかし、あらゆる環境に通用する単一のシンプルな解決策など存在しません。」

（モラフスカさんは、新型コロナウイルス感染症の流行以前から、病人とのソーシャルディスタンスを一定程度確保し、換気口や空調システムの近くでは戦略的に位置取りをしていたことを認めている。家族を含め、誰もが彼女の様子を少し変わっていると思っていた。今、笑っている人はいるだろうか？）

「これらすべてにおいて重要なパラメーターは時間です。人々がどれだけの時間を同じ環境の中で過ごすかということです」とモラウスカ氏は言う。これは様々な選択肢を生み出す。教室の子どもたち、オフィスや工場の作業員など、人々が同じ空間にいる時間を短くし、休憩時間には換気をしよう。そうすれば、感染の可能性がある空気を新鮮な空気と交換できるからだ。「これはおそらく、より効果的な介入であり、費用も抑えられるでしょう」と彼女は言う。しかし、フィルター、たとえDIYのものであっても、フィルターはリスク低減のためのもう一つの防御層であり、比較的簡単に追加できるものであると彼女は認めている。

これに誰かが夢中になるかもしれない。「ボックスファンとフィルターが収まるよく設計されたボックスを使って、低価格のポータブル空気清浄機を作れる会社が見つかったら素晴らしいですね」とコーシ氏は言う。

教室用のポータブル空気清浄機に注目が集まっています。教室の広さは650平方フィートから700平方フィート（約63平方メートルから72平方メートル）で、25人の生徒がいます。換気が不十分な場合が多いのですが、ポータブル空気清浄機があれば空気中の粒子濃度を50%も下げられる可能性があります。間に合わせの空気清浄機というアイデアは良いと思います。なぜなら、学校区によってはあまりにも貧しくて、1,000台ものポータブル空気清浄機を買う余裕がないところもあるからです。

自宅でマリファナを栽培している人なら、きっと何か賢い空気清浄技術や処理技術を思いついたことがあるでしょう。メーカーの皆さん、一時解雇されたエンジニアの皆さん、職人の皆さん、今はどうですか？病院レベルの人工呼吸器を作ろうとしたけれど、あまりにも複雑すぎると判明したのを覚えていますか？これは違います。ここで使われている部品は基本的なものです。ファンの心臓部である電動モーター（風が強くならないように変圧器で降圧されているかもしれません）、ファンブレード、フィルターメディアのパネルを支える金属フレーム、あるいは3面か4面にパネルが付いた大きな箱、そしてファン部品を取り付けるためのマウントです。これで全てです。全てがしっかりと固定されていれば、きっと…何かができます。

もちろん、そうする必要はないはずです。学校には換気設備を整え、子どもたちが物理的に距離を置けるスペースを確保するための資金が確保されるべきです。空気清浄機を購入できる余裕がある、あるいは提供してもらえるようにすべきです。人々は仕事に行くために命を危険にさらすべきではありません。しかし、たとえそうでなかったらよかったのに、かつて大統領が言ったように、現実は現実です。私たち全員が何かをしなければなりません。誰も助けに来ないなら、私たち自身がその責任を負うことになるからです。

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