Volksgezondheidsadviezen voor het voorkomen van aandoeningen van de luchtwegen zijn grotendeels onveranderd gebleven sinds de Spaanse griep van 1918, een van de dodelijkste pandemieën uit de geschiedenis. Houd een veilige afstand van andere mensen. Was uw handen regelmatig met water en zeep om eventuele ziektekiemen te doden. Bedek je neus en mond met een gezichtsmasker - zelfs een gemaakt van een bandana is voldoende. Dergelijke richtlijnen zijn gebaseerd op het inzicht dat luchtweginfecties zich verspreiden via virusdragende druppeltjes die worden uitgestoten wanneer geïnfecteerde mensen hoesten, niezen, of ademen.

Maar meer dan een eeuw nadat de Spaanse griep wereldwijd 50 miljoen mensen had gedood, hoe deze vloeistofdruppels zich gedragen, blijft grotendeels een mysterie. Rajat Mittal, een professor werktuigbouwkunde aan de Whiting School of Engineering en een expert in computationele vloeistofdynamica, is van mening dat verder onderzoek naar de stromingsfysica van luchtwegaandoeningen van cruciaal belang zal zijn om de huidige pandemie van het coronavirus in te dammen.

Het idee kwam bij Mittal op tijdens een recent bezoek aan de supermarkt, waar hij zag dat klanten beschermende gezichtsmaskers droegen. Zijn geest ging waar de geest van onderzoekers gewoonlijk gaat:naar de wetenschap.

"Ik begon me af te vragen of er gegevens zijn over de aerodynamica van deze maskers om te kwantificeren wat ze werkelijk doen, " zegt Mittal. "Toen ik in de literatuur begon te duiken, het werd duidelijk dat vloeistofdynamica bijna elk aspect van deze pandemie doorkruist. Hoe druppeltjes worden gevormd en gedragen, hoe ze anderen besmetten, de ventilatoren die we gebruiken om patiënten met deze ziekte te behandelen, zelfs preventieve maatregelen zoals gezichtsmaskers - veel van deze problemen hebben uiteindelijk te maken met de vloeistofstroom."

Om nieuw denken en onderzoek op dit gebied te stimuleren, Mittal en een team van zijn faculteitscollega's hebben een overzicht gemaakt van de bekende vloeistofdynamica van COVID-19 en welke vragen er nog zijn. Dit rapport is gepubliceerd in de Journal of Fluid Mechanics .

Duiken in druppeltjes

Luchtweginfecties verspreiden zich van persoon tot persoon via virusdragende druppeltjes via de lucht of door contact met een oppervlak dat besmet is met druppeltjes. Geïnfecteerde personen stoten deze druppeltjes vaak uit door hoesten of niezen - een veelbetekenend teken dat anderen uit de buurt moeten blijven om infectie te voorkomen. Maar overdracht hangt eigenlijk af van een groot aantal factoren, inclusief het aantal druppels, hun grootte, en hun snelheid tijdens uitademingsgebeurtenissen zoals hoesten, niezen, en ademen.

niezen, bijvoorbeeld, kan duizenden grote druppels met een relatief hoge snelheid verdrijven, terwijl hoesten 10-100 keer minder druppels genereert. Praten verdrijft nog aanzienlijk minder druppeltjes, ongeveer 50 per seconde, en ze zijn kleiner. Deze kleine druppeltjes zullen eerder in de lucht zweven, grotere afstanden reizen, en infectie overdragen zodra ze zijn ingeademd. Grote druppels, anderzijds, hebben meer kans om oppervlakken te besmetten en infectie door aanraking over te brengen.

Zoals het team in de krant opmerkt, er zijn al veel onderzoeken uitgevoerd om nauwkeurig te meten hoe druppeltjes worden gegenereerd en getransporteerd. Echter, consensus over druppelgedrag blijft ongrijpbaar vanwege de complexe aard van de verschijnselen, evenals de moeilijkheid om dergelijke metingen te doen.

Een aandachtspunt voor verder onderzoek is de vorming van kleine druppeltjes tijdens normale activiteiten zoals ademhalen en praten. Dit kan licht werpen op hoe COVID-19 wordt overgedragen door asymptomatische dragers die normaal praten of ademen.

"Een hypothese is dat het virus wordt gedragen door zeer fijne druppeltjes in de lucht, " zegt Rui Ni, expert op het gebied van meerfasige stroming, een assistent-professor werktuigbouwkunde en een bijdrage aan het papier. "Direct, we begrijpen niet helemaal hoe deze fijne nevel werkt bij het transporteren van het virus. En dat heeft grote gevolgen voor social distancing, als we die richtlijnen alleen baseren op de aanname dat druppeltjes een bepaalde afstand kunnen bereiken."

In feite, een studie die in hun paper wordt aangehaald, laat zien dat grote druppels die worden uitgestoten door niezen, 20 voet of meer kunnen afleggen, dus 6 voet is misschien niet voldoende om het risico van overdracht te elimineren. Volgens de ploeg andere zaken die een diepere analyse rechtvaardigen zijn druppelverdamping en inademing, hoe druppeltjes zich gedragen in binnen- versus buitenomgevingen, en hoe temperatuur en vochtigheid de transmissiesnelheden beïnvloeden.

Simuleren van oplossingen

Inperkingsstrategieën voor COVID-19 zijn gebaseerd op wat beleidsmakers denken te weten over stromingsfysica. Maar Mittal en Ni waarschuwen dat veel daarvan gebaseerd is op verouderde informatie.

"We pleiten voor betere kwantificering, om echt cijfers achter deze ideeën te plaatsen, Mittal zegt. "Een deel van wat we nu doen om COVID-19 in 2020 te bestrijden, is gebaseerd op wetenschap uit artikelen die in de jaren dertig zijn gepubliceerd. We hebben sindsdien zoveel geleerd, maar het beleid moet een inhaalslag maken."

Bijvoorbeeld, zelfs maanden na de pandemie, veel vragen rond het gebruik van gezichtsmaskers. Gezichtsmaskers zijn vaak ontworpen om de persoon die het masker draagt ​​te beschermen - denk aan een bouwvakker die probeert te voorkomen dat gevaarlijk stof wordt ingeademd, bijvoorbeeld. Maar gezichtsmaskers om de overdracht van COVID-19 tegen te gaan, moeten zowel innerlijke als uiterlijke bescherming bieden, het beschermen van anderen net zo goed als het de drager beschermt.

Wetenschappers kunnen beter begrijpen hoe de uiterlijke bescherming kan worden verbeterd door de stroomlekkage te simuleren die wordt veroorzaakt door openingen rond de neus en mond, zegt Jung-Hee Seo, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde. Hij werkt samen met Mittal en Koroush Shoele van de Florida State University aan ultramoderne simulaties om de luchtstroom en druppelverspreiding in gezichtsmaskers te analyseren. Hun simulaties houden rekening met verschillende gezichtsvormen en maskerstructuren, waardoor ze de effectiviteit van verschillende maskerontwerpen kunnen evalueren.

Het onderzoek bevindt zich nog in de beginfase, maar uiteindelijk, deze simulaties zouden kunnen leiden tot betere ontwerpen voor gezichtsmaskers, speciaal voor degenen die thuis maskers naaien, voegt Mittal toe.

"Als iemand thuis een mondkapje maakt, kunnen we ze een eenvoudige stap vertellen om het gezichtsmasker beter te maken voor wat het moet doen?", vraagt ​​hij.

Vloeistofdynamiek in actie

Zoals zoveel wetenschappers – en beleidsmakers en het publiek, wat dat betreft - het team denkt al vooruit naar een tijd waarin het leven weer een beetje normaal zal worden. Ze vragen zich af:hoe kan dat worden gedaan terwijl nieuwe transmissies worden geminimaliseerd?

Heropeningsbeslissingen zullen profiteren van nieuwe bevindingen over de stroomfysica van COVID-19-transmissie, zeggen de onderzoekers. "Denk aan studenten die terugkeren naar een universiteitscampus. Als we meer weten over de aerodynamica van druppelbeweging, we zouden HVAC-systemen mogelijk opnieuw kunnen ontwerpen om de verspreiding van druppels in een slaapzaal te verminderen, bijvoorbeeld, " zegt Ni. "Hetzelfde idee zou kunnen werken met verpleeghuizen. Als we allemaal maskers dragen, hoe beïnvloedt dat de praktijk van social distancing? Als we meer wetenschap achter deze manier van denken plaatsen, kunnen we het land op een veiligere manier openen."

Het nieuwe coronavirus is een evoluerende en complexe uitdaging, en onderzoekers in elke discipline kunnen slechts een klein aspect van de crisis aanpakken. Nog altijd, Mittal ziet een geweldige kans voor mensen op het gebied van vloeistofdynamica om bij te dragen aan een oplossing.

"Dit staat centraal in ons vakgebied, " zegt hij. "We kunnen inzichten en hulpmiddelen bieden die ervoor zorgen dat we beter voorbereid zijn om de volgende uitbraak van COVID-19 of een vergelijkbare ziekte aan te pakken."