Coronavirus : voilà pourquoi il est important de porter un masque à bord d'un avion

Alors que les pays de l'Union européenne se déconfinent et que les États membres de l'espace Schengen rouvrent leurs frontières, le transport aérien se prépare à une reprise progressive, après avoir été paralysé pendant presque trois mois. Pour garantir la sécurité des passagers ainsi que celle des personnels, dans les aéroports comme à bord des avions, l'Organisation de l'aviation civile internationale et l'Association internationale du transport aérienAssociation internationale du transport aérien ont publié la semaine dernière une série de recommandations sanitaires qui prévoient notamment le port du masque en permanence, pendant toute la duréedurée du vol.

Pour comprendre la nécessité de porter un masque, Ansys, éditeur de logiciellogiciel de simulation, a rendu publique une simulation qui montre comment le virus peut circuler à travers l'airair de la cabine. Cette simulation s'appuie sur des modèles physiquesmodèles physiques complexes des flux d'air créés par le système de ventilationventilation de l'avion afin d'illustrer comment les particules en suspension se propagent entre les passagers, lorsque ces derniers portent un masque et quand ils n'en portent pas. La simulation montre que porter un masque limite significativement la quantité de particules et la distance parcourue par les gouttelettes lors d'une toux, d'un éternuement ou d'une expectoration, ce qui réduit le risque de contamination des autres passagers.

Simulation et modélisation de la circulation des particules de salive dans un avion, lorsque les passagers portent des masques et quand ils n’en portent pas. © Ansys

Thierry Marchal, directeur Santé et Sport chez Ansys, répond à nos questions :

Futura : Comment modélise-t-on la propagation des particules dans un avion ?

Thierry Marchal : La première étape consiste à modéliser l'écoulement d'air dans ce domaine fermé et de géométrie complexe, étant donné le nombre d'éléments et de détails que contient la cabine d'un avion. Cet écoulement d'air peut être complexe car l'air est insufflé à une vitessevitesse donnée à de nombreux endroits et quitte la cabine par les ventsvents où il sera filtré. Pour cela, nous utilisons le logiciel de mécanique des fluides Ansys Fluent, qui résout les équationséquations dites de Navier-Stokes -- ces équations se basent sur des principes élémentaires tels que la conservation de la matièrematière, la conservation de l'énergieénergie et la loi de NewtonNewton -- complétées par des modèles de turbulenceturbulence avancés, largement validés par de nombreuses expériences et publications.

Pour obtenir des résultats précis, le logiciel résout typiquement des systèmes complexes de plusieurs dizaines de millions d'équations afin de calculer la vitesse et la pressionpression en tout point du domaine de calcul. Pour ces grosses simulations, nous utilisons des ordinateursordinateurs de calcul puissants, sans être toutefois des supercalculateurssupercalculateurs, ou le cloud. Ces études numériquesnumériques prennent quelques heures de temps de calcul pour atteindre une précision de résultats qui est essentielle.

Les résultats de cette simulation ont-ils surpris ou bien étaient-ils conformes aux attentes  ?

Thierry Marchal : Les résultats étaient conformes à nos attentes à la suite des différentes études et simulations que nous avons récemment menées afin d'illustrer et quantifier l'importance du masque (voir aussi ansys.com/COVID). De précédentes modélisationsmodélisations avaient démontré que le port du masque, qu'il s'agisse d'un masque FFP1, FFP2, N95, chirurgical ou fait maison (en tissu), permettait de capturer l'essentiel des grosses gouttelettes (plus de 50 micronsmicrons de diamètre) si le masque est correctement porté. Seules les plus petites gouttelettes, de l'ordre de quelques microns ayant une charge virale totale inférieure, parviennent à passer à travers le masque et forment un faible nuagenuage à l'extérieur du masque.

Cela dit, l'écoulement d'air dû à la ventilation fut plus surprenant. D'une part, l'efficacité de cet écoulement d'air pour transporter les grosses gouttelettes émises par un passager vers le siège couloir est impressionnant. D'autre part, l'interaction entre le mouvementmouvement « tourbillonnant » de l'air qui remonte le long de la paroi de la cabine et entraîne le nuage de gouttelettes reste important et demeure une source potentielle d'amélioration.

À partir des données de cette simulation, des mesures, en complément des masques, peuvent-elles être mises en œuvre pour limiter la propagation de ces particules comme, par exemple, les plaquer au plafond, les aspirer hors de l'avion ? 

Thierry Marchal : N'étant pas virologue ni épidémiologiste, je n'ai pas l'expertise pour me prononcer sur les risques de contamination ; il reste d'ailleurs pas mal de questions en suspens à ce sujet. Mais, en tant qu'expert en modélisation aérodynamique d'aérosolsaérosols - notamment dans le domaine médical -, je pense qu'il faut une collaboration entre experts de l'aérodynamique, virologues, avionneurs, compagnies aériennes et autorités afin d'établir des recommandations. Nous poursuivons nos collaborations en ce sens, conscients de notre niveau d'expertise et de nos limitations.

Quelques pistes de réflexion ?

Thierry Marchal : Oui. Comme illustré par les vidéos, le mouvement d'air induit par la ventilation est descendant afin d'amplifier le mouvement dû à la gravitégravité -- plutôt que d'avoir des forces contraires. Les gouttelettes vont donc rapidement tomber sur le sol ou mieux, être aspirées par les orifices d'évacuation de l'air dans la cabine de l'avion. Lorsque l'air est aspiré par les vents, il n'est pas rejeté à l'extérieur ; ceci demanderait d'aspirer l'air extérieur pour compenser et, à 11,000 m, cet air est généralement à -60 C°, il faudrait donc consommer beaucoup d'énergie pour le réchauffer.

Dans les orifices d'évacuation, l'air est filtré par des équipements particulièrement performants (e.g. filtres HEPA) qui capturent l'immense majorité des particules et gouttelettes en suspension afin de réinjecter de l'air propre. Pour un avion, le taux horaire de changement d'air (ou ACH Air Change per Hour) varie entre 11 et 15 (ASHRAE). Ceci suggère que l'air est filtré 11 à 15 fois par heure, soit toutes les 4 ou 5 minutes. Un avion clos pour un long vol Paris-Los Angeles ne pourrait donc pas devenir un énorme « bouillon de culture » de virus.

On observe que les gouttelettes ont le plus de chance d'être directement absorbées par les orifices d'évacuation de l'air si le passager se trouve sur la place couloir (si le vent est bien positionné par rapport à la rangée de sièges). On pourrait donc suggérer qu'un passager qui présente le moindre symptôme ou qui se sent moins bien, soit placé dans une place couloir (en plus de porter un masque bien entendu). À contrario, les enfants qui seraient moins émetteurs de gouttelettes contaminées, pourraient apprécier la vue de la place fenêtrefenêtre. Il serait important d'être très ferme sur le port du masque à la place fenêtre.

Un mot de conclusion pour rassurez les passagers ?

Thierry Marchal : D'un point de vue personnel et au regard des résultats de simulation, je me sentirais plus à l'aise (avec un risque plus faible d'être atteint par des gouttelettes contaminées) en voyageant une heure dans un avion qu'en passant une heure dans un magasin. Donc, si les passagers portent un masque, je n'aurais aucune appréhension à reprendre l'avion sur la base de mon expérience et de mes connaissances.