動画は最初、満員の旅客機の仮想内部を映し出す。すると突然、中央に座っていた乗客の一人が「くしゃみ」をする。すると、数百もの色とりどりの粒子が空中に放出され、虹色の斑点模様の雲が全員の頭上に漂う。雲は消え、粒子は拡散し、病気の乗客の隣に座っていた不運な数人の乗客へと降り注ぐ。
最終的に粒子は機内全体に広がりますが、最も感染リスクが高いのは「くしゃみをした人」の左右に座っていた人々です。
このシミュレーション動画は、与圧された航空機客室内でインフルエンザ粒子が移動する様々な方法の一つを紹介しています。このような高高度での感染シナリオをモデル化するのは、高精度シミュレーションソフトウェアを専門とするANSYS社です。ANSYS社は数値流体力学を用いて航空機内の気流パターンをシミュレーションし、航空会社や保健当局が高度39,000フィートにおけるインフルエンザ粒子の分布を追跡できるよう支援しています。ANSYS社のシミュレーション動画は以下からご覧いただけます。
「粒子は色分けされているので、どこへ行くのかが分かります」と、ANSYSの航空宇宙・防衛産業担当ディレクター、ロバート・ハーウッド氏はポピュラーサイエンス誌に説明する。「これらの飛沫は気流に巻き上げられ、機内全体に拡散します。実際、かなり遠くまで広がります。」
エボラ出血熱の蔓延は誰もが懸念しているかもしれませんが、エボラ出血熱は空気感染する病原体ではないことを覚えておくことが重要です。飛行機内でくしゃみをしても感染することはありません。しかし、インフルエンザは空気感染し、米国でははるかに大きな脅威となっています。疾病対策センター（CDC）によると、毎年数千万人のアメリカ人が感染し、最大4万9000人の死者を出しています。
「これらの飛沫は空気の流れに巻き上げられ、機内全体に拡散します。実際、かなり遠くまで広がります。」
インフルエンザの予防接種では100%の予防効果が得られないため、保健当局は常にウイルスの蔓延を抑える方法を模索しています。その手段として、病原体が最も効率的に移動する手段の一つである飛行機に頼ることがよくあります。何百人もの乗客で満員で、窮屈な空間で逃げることもできない飛行機の客室は、インフルエンザの温床となりかねません。たった一人でも感染者が出れば、事態は悪化してしまうのです。
インフルエンザ粒子が飛行機内でどのように拡散するかを解明することは、2002年のSARS発生以来、連邦航空局（FAA）の懸案事項でした。「アジア、アフリカ、ヨーロッパなど、世界中で感染が発生しました」とハーウッド氏は言います。「これほど急速に広がったのは、人々が飛行機に乗って病原体を拡散させたからです。」
SARSの発生後、FAAは航空機乗員の安全と健康を確保するため、航空機客室環境研究センター（Centers for Excellence for Aircraft Cabin Environment Research）を設立しました。このプログラムでは、新しい客室センサーシステムや汚染緩和技術など、病原体追跡のための様々な新技術が試験されました。そして、ANSYSのシミュレーション技術が航空分野に進出したのは、まさにこの時でした。
「従来のエンジニアリングでは、アイデアを出し、モデルやプロトタイプを作り、テストし、改良を重ねて、理想の製品が完成するまで繰り返します」とハーウッド氏は語る。「私たちの業界では、金属を切削する前に、コンピューターを使って製品の物理的挙動をシミュレーションすることで、改良の手間を減らしています。」
ANSYS社は通常、工学、物理学、構造力学、弾性、破砕などのシミュレーションソフトウェアを開発しています。同社の技術は、コーヒーカップの取っ手の強度が十分かどうか、飛行機の翼が空中で最適な揚力と抗力を発揮するかどうかなどを予測できます。さらに、同社は流体の空気力学をモデル化する能力も備えており、密閉空間におけるインフルエンザの拡散をマッピングするのに最適なソフトウェアとなっています。そのため、パデュー大学にあるFAAのCenter of Excellenceの科学者たちは長年にわたり、ANSYSのシミュレーションを研究し、与圧された客室内での病原体の移動メカニズムについて理解を深めてきました。
飛行機内では、天井の吸気口から空気が絶えず吸い込まれ、乗客の足元にある通気口から排出されるため、気流モデルの作成は非常に複雑です。「2分ごとに機内には全く新しい空気が流れ込んでいるのです」とハーウッド氏は言います。気流シミュレーションを可能な限りリアルにするために、パデュー大学の研究者たちは、頭上の空調ノズルの位置から、客室乗務員が飲食カートを押す際に作り出す気流まで、気流の速度と方向に影響を与える可能性のあるあらゆる要素を考慮しています。
これらすべての変数を考慮することで、科学者たちは機内で細菌やその他の汚染物質がどのように拡散するかについて、何百ものシナリオを描くことができます。そして、得られた知見を基に、FAA（連邦航空局）に対し、より快適で安全な客室環境の構築に向けた提言を行います。「この研究が本格的に始まって以来、乗客環境はより進化しました」とハーウッド氏は言います。「インフルエンザなどの細菌に対する重要な防御戦場なのです。」
ANSYSのソフトウェアは、航空会社が客室環境を低コストで改善するのにも役立ちます。新しい空調システムが気流にどのような影響を与えるかをシミュレーションすることで、航空会社はどのシステムが最も低コストで細菌の移動を抑制できるかを判断できます。
「航空会社は常にこのトレードオフと戦っています。機体に搭載するシステムが増えれば増えるほど、機体重量が増加し、コストも増大するのです」とハーウッド氏は語る。「航空会社は最も安いフライトを求めると同時に、乗客の健康も求めています。私たちの技術は、コストを犠牲にすることなく、それを実現し、パフォーマンスを向上させる方法を航空会社に提示できるため、非常に役立っています。」
