Zoals wetenschappelijke leegtes gaan, het zou moeilijk zijn om nu een meer prangende vraag te vinden:hoe reizen de aerosolen die het onzichtbare coronavirus vervoeren door de lucht nadat ze een geïnfecteerde persoon hebben verlaten?

Is 2 meter afstand voldoende?

In die leegte, De wetenschapper S. "Bala" Balachandar van de Universiteit van Florida leidt een internationaal team van experts. De wetenschap heeft dringend een update nodig. Sommige van de onderzoeken waarop de richtlijnen voor sociale afstand van 1,8 meter zijn gebaseerd, zijn tientallen jaren oud.

Balachandar en zijn team, echter, werken aan een nieuw theoretisch raamwerk dat is ontworpen om het gedrag van overdracht via de lucht van gastheer naar gastheer te modelleren. De taak is enorm omdat er veel variabelen een rol spelen bij het uitzoeken hoe een met virus geïnfecteerde adem, niezen of hoesten kan van de ene persoon naar de andere reizen.

Natuurkunde kan mogelijk antwoorden bieden die specialisten in de volksgezondheid zijn ontgaan. De expertise van Balachandar ligt in het nemen van complexe, meerfasige turbulente verschijnselen die niet in een laboratorium kunnen worden getest - kernexplosies of vulkaanuitbarstingen, bijvoorbeeld - en het ontwikkelen van computationele modellen van hun gedrag. Hoesten of niezen veroorzaakt ook turbulentie in meerdere fasen en is ingewikkelder dan het lijkt.

"Het wordt steeds duidelijker dat overdracht via de lucht een belangrijke bijdrage levert aan de snelle verspreiding van de ziekte, " zegt Balachandar, een professor in mechanische en ruimtevaarttechniek met financiering van de Amerikaanse marine om de verneveling van vloeibare spray te bestuderen. "We hebben op dit moment niet de fundamentele kennis die we nodig hebben. Het is onze taak om dat soort kennis te ontwikkelen, en dit is een startpunt."

Een natuurkundig probleem

Als een gevestigde onderzoeker met federale financiering om meerfasenstroming te bestuderen, Bala voelde dat hij in een positie was om de kwestie aan te pakken. Hij stelde een internationaal team van gevestigde wetenschappers samen:Stéphane Zaleski van de Sorbonne is een expert op het gebied van het genereren van druppels; Balachandar, en Alfredo Soldati van de Technische Universiteit van Wenen zijn experts in het gedrag van turbulente meerfasestromen; Goodarz Ahmadi van de Clarkson University is een expert in het inademen van deeltjes; en Lydia Bourouiba van het MIT bestudeert de kruising van vloeistofdynamica en epidemiologie.

"Meerfasige stroming is niets anders dan stromen die deeltjes bevatten, druppels of bellen die doorgaans zeer turbulent zijn, en ze verschijnen overal, van een vulkaanuitbarsting tot hoe een kustlijn wordt gevormd tot industriële processen, " zegt Bala, die samen met Soldati de redactie van The International Journal of Multiphase Flow is.

"Het toeval wil dat niezen en hoesten fantastische voorbeelden zijn van meerfasenstroming, waar je veel druppels uitwerpt en dan voert de stroom ze gewoon naar voren, en de turbulentie in de kamers verspreidt ze overal. Dus, we hebben de juiste achtergrond om naar dit probleem te kijken."

andere wetenschappers, te, zijn geïnteresseerd. De kleine aerosolen die het virus dragen, kregen in juli meer aandacht toen 239 wetenschappers van over de hele wereld de Wereldgezondheidsorganisatie in een open brief vroegen om de rol van overdracht via de lucht bij de verspreiding van het virus te erkennen.

Vervolgens, op 4 augustus een interdisciplinair UF-team plaatste de resultaten van een test in een ziekenhuiskamer met twee coronaviruspatiënten. Het team isoleerde levend coronavirus in luchtmonsters verzameld op ongeveer 2 meter en ongeveer 5 meter van een patiënt met een actieve infectie, maar niet buiten de kamer, dankzij meerdere infectiecontrolepraktijken.

Het team van Balachandar volgde die bemonsteringspoging met grote belangstelling.

"De volgende stap is om te kunnen zeggen hoe het daar is gekomen; was het een eenmalige gebeurtenis?" zegt Balachandar. “Daar komen we in beeld. We willen laten zien hoe en waarom de spuitbussen zo ver kunnen reizen.

"Om het virus te stoppen, je moet weten hoe het reist, ' zegt Balachandar.

Het team van Balachandar heeft in het lab overuren gemaakt en verschillende scenario's gemodelleerd (zie bijgevoegde afbeeldingen). De groep heeft ook een position paper uitgebracht, "Host-to-host luchttransmissie als een meerfasig stroomprobleem voor op wetenschap gebaseerde richtlijnen voor sociale afstand, " op ArXiv.

Het probleem van overdracht is vrij eenvoudig:om besmet te raken met het coronavirus, met virus beladen druppeltjes moeten één persoon verlaten als ze worden uitgeademd, door de lucht worden vervoerd, vervolgens ingeademd door een andere persoon. Grotere druppels, dankzij de zwaartekracht, snel vallen, vestigen op oppervlakken. Overdracht vindt plaats wanneer mensen de oppervlakken aanraken, raak dan hun gezicht aan, virale deeltjes naar slijmvliesoppervlakken in hun mond brengen, neus of ogen. Veiligheidsprotocollen die nu veel worden gebruikt - grondige reiniging van kantoren of sportscholen of het tot een nietje maken van dispensers voor handdesinfecterend middel - bieden bescherming tegen overdracht via het oppervlak.

Bescherming tegen transmissie in de lucht, echter, is ingewikkelder:het is gemakkelijker om een ​​icky deurknop te vermijden, touchscreen of liftknop dan om ademen te voorkomen. Terwijl we in- en uitademen, we kunnen de kleine niet zien, onzichtbare virale deeltjes in de lucht die we delen.

Wetenschap bijwerken

Pogingen om ziekteverwekkers in uitgeademde adem te kwantificeren hebben een lange geschiedenis die teruggaat tot 1897. Richtlijnen voor sociale afstand die 2 meter ruimte voor bescherming aanbevelen, zijn voortgekomen uit een onderzoek uit de jaren dertig dat uitgeademde vochtige druppeltjes in grote en kleine categorieën classificeerde, en verdamping van de kleinere druppeltjes werd niet meegerekend. In de jaren veertig en zestig meer gedetailleerde studies werden gedaan, maar de technologie van die tijd stond wetenschappers nog steeds niet toe om nauwkeurig rekening te houden met kleinere druppeltjes. In aanvulling, de instrumenten die nodig zijn om de verneveling van druppeltjes tot aerosolen te bestuderen, worden nu pas ontwikkeld.

Andere variabelen bemoeilijken ook de zoektocht naar antwoorden over het genereren, druppeltjes vervoeren en inademen.

De kracht van uitademing - ademen, praten, hoesten, niezen - varieert evenals het aantal uitgeademde druppeltjes in elke toestand en hun grootte. Zelfs dezelfde toestand, een niesbui bijvoorbeeld kan van persoon tot persoon verschillen. Deze uitademingen, wolken die natuurkundigen pufjes noemen, zijn over het algemeen heter dan de omgevingstemperatuur wanneer ze het lichaam verlaten, en zo levendiger, ze laten opstaan.

Grotere druppels bewegen sneller en komen uit de trek, en hun verdamping hangt af van de omgevingsomstandigheden. in Arizona, een droge omgeving, ze verdampen snel. In Florida, een vochtige omgeving, ze verdampen langzaam. Niet-vluchtige stoffen in de druppeltjes - slijm, virussen, bacteriën, voedseldeeltjes enzovoort - beïnvloeden de verdamping.

De druppels gedragen zich ook anders, afhankelijk van de ventilatie. Binnen, druppels kunnen worden opgesloten en in de lucht blijven. Buitenshuis, ze kunnen verder circuleren en sneller verspreiden.

De eindfase, inademing, wordt beïnvloed door filtratie, via maskers of in de neus of de luchtwegen. Op het moment van inademen, virale lading wordt belangrijk, maar Balachandar, een ingenieur, zegt dat zijn team vragen over virale belasting aan epidemiologen zal overlaten.

Het theoretische raamwerk dat het team heeft ontwikkeld, benadert al deze variabelen als een meerfasig turbulent stromingsprobleem, leidt tot meerdere vergelijkingen.

"Net als elk ander wetenschappelijk of technisch probleem, uiteindelijk komt het neer op een wiskundige voorstelling, die we proberen eenvoudig en gemakkelijk te maken, maar op het zelfde moment, nauwkeurig genoeg voor mensen om snel antwoorden te bedenken, ' zegt Bala.

Met behulp van de vergelijkingen, experimenten en simulaties kunnen worden uitgevoerd om verschillende scenario's te modelleren. Bijvoorbeeld, een luchtvaartmaatschappij die het potentieel voor luchttransmissie in een vliegtuigcabine wil modelleren, kan de vergelijkingen gebruiken, net als een bedrijf dat kantooromstandigheden wil modelleren, of een muziekpromotor die een concertzaalevenement wil modelleren.

Transmissie in de lucht modelleren

Balachandar en het team zijn begonnen met een aantal van hun eigen experimenten, simuleren van hoesten en niezen.

Een uitgeademde hoest komt uit in een meerfasige turbulente gaswolk, of puf. De puff bevat verschillende druppelgroottes die worden vermengd met de omgevingslucht, die de druppeltjes opvangt en naar voren brengt. De druppeltjes verdampen op basis van hun grootte, de snelheid van de trek en de omgevingsomstandigheden.

Grotere druppels - 50 micron of meer - vallen, terwijl gedeeltelijk verdampte druppeltjes in de lucht blijven. Als de druppeltjes volledig verdampen, de trek verliest momentum en verdwijnt. De kleine aerosolen, echter, blijven en kunnen uren in de lucht blijven, hun bereik uitgebreid door luchtstroom, zoals een briesje op het strand of een oscillerende ventilator op een bureau. Dit betekent dat de huidige richtlijnen voor sociale afstand mogelijk de afstand die spuitbussen afleggen en de tijd dat ze in de lucht blijven, onderschatten, en in sommige gevallen, met een vrij grote marge.

"Dit is waar het verschil tussen een kleine afgesloten omgeving zoals een lift of een vliegtuigcabine of een open veld van belang is, samen met factoren zoals wind en ventilatie, ' zegt Balachandar.

Werk van Bourouiba eerder dit jaar bij MIT toont een gaswolk van een niesbui van 7 tot 8 meter, een teken dat meer studie nodig is, zegt Bala.

"Er zijn plaatsen, besloten omgevingen met slechte ventilatie, waar de rookwolk zich meer dan twee meter kon verspreiden, net als in een open omgeving, zoals een strand met een krachtige tegenwind, het zou veel sneller kunnen verdunnen, ' zegt Balachandar.

De lucht filteren

Hoeveel virus een persoon inhaleert, hangt af van de concentratie van virusbeladen deeltjes - of virale lading - in de ademhalingszone rond die persoon, evenals op leeftijd en activiteitsniveau. Het hangt ook af van de filtratie. Ademen door de neus biedt meer bescherming dan ademen door de mond, dankzij de natuurlijke filters van het ademhalingssysteem. En maskers zorgen voor filtratie, te.

De werkzaamheid van maskers varieert sterk, afhankelijk van het type, waarbij maskers voor gezondheidsberoepen het meest efficiënt zijn:de N95 is de beste, dan chirurgische maskers, dan procedure maskers.

Gebruikelijke katoenen maskers kunnen het inademen van druppeltjes groter dan 10 micron verminderen, maar de meeste druppeltjes verdampen binnen ongeveer een seconde en na enkele centimeters reizen tot een grootte kleiner dan 10 micron. De uitgestoten druppeltjes in een uitgeademde wolk worden verneveld tot een grootte kleiner dan 1 micron tussen 1 en 10 meter.

De conventionele veronderstelling - dat verdamping van druppeltjes de virale belasting vermindert - moet opnieuw worden onderzocht. Balachandar zegt dat het duidelijk is dat het aantal virusdeeltjes dat in kleinere druppeltjes wordt uitgestoten, vrijwel onveranderd in de wolk blijft. een gevaarlijkere bron van overdracht is dan eerder werd aangenomen en die niet door alle maskers kan worden opgevangen.

De vergelijkingen van het team voorspellen ook een veel groter aantal druppels in het micron- en submicronbereik, "misschien het gevaarlijkst voor zowel inademingsefficiëntie als filtratie-inefficiëntie, " volgens het position paper.

Hoewel Balachandar zegt dat hij aanvankelijk terughoudend was om een ​​nieuw project op zich te nemen, de behoefte aan meer kwantitatieve kennis intrigeerde hem.

"Ik dacht eerst dat COVID zou verdwijnen, dus ik wilde mijn interesse niet ombuigen, ', zegt Balachandar. 'Maar toen werd het heel duidelijk dat COVID nergens heen gaat.

"Dit is geen gemakkelijk op te lossen probleem, ' zegt Balachandar. 'Maar we moeten het proberen. Zelfs als we COVID oplossen, het is gewoon een kwestie van tijd voordat er iets anders langskomt."