Tegen begin april 2021, het aantal geïnfecteerden tijdens de COVID-19-pandemie was gestegen tot meer dan 130 miljoen mensen van wie er meer dan 2,8 miljoen stierven. Het SARS-CoV-2-virus dat verantwoordelijk is voor COVID-19 wordt met name overgedragen door druppeltjes of aerosolen die worden uitgestoten wanneer een geïnfecteerde persoon spreekt, niest of hoest. Zo verspreiden de virussen en andere ziekteverwekkers zich door de omgeving en brengen ze infectieziekten over wanneer ze door iemand anders worden ingeademd.

Het vermogen van deze deeltjes om in de lucht te blijven zweven en zich in de omgeving te verspreiden, hangt grotendeels af van de grootte en aard van de luchtstroom die wordt gegenereerd door het uitademen van lucht. Net als bij andere infectieziekten via de lucht, zoals tuberculose, gewone griep of mazelen, de rol die vloeistofdynamica speelt, is de sleutel tot het voorspellen van het risico op infectie door deze deeltjes in suspensie in te ademen.

Bij een hoestbui die 0,4 seconden duurt en een maximale uitademingsluchtsnelheid van 4,8 m/s heeft, de stroming genereert eerst een turbulente luchtstroom die heter en vochtiger is dan die van de omgeving. Zodra de houdbaarheidsdatum voorbij is, de stroom verandert in een wolk lucht die stijgt vanwege het drijven en het gebrek aan gewicht terwijl het verdwijnt.

De deeltjes die door deze stroom worden getransporteerd, vormen wolken, waarvan de trajecten afhankelijk zijn van hun grootte. De dynamiek van de grootste deeltjes wordt bepaald door de zwaartekracht en beschrijft parabolen met een duidelijke horizontale limiet. Ondanks hun beperkte mogelijkheid om in schorsing te blijven en de beperkte horizontale reikwijdte, de viral load kan hoog zijn omdat ze groot zijn (diameters groter dan 50 micron).

In tegenstelling tot, de kleinste deeltjes (met een diameter kleiner dan 50 micron) worden getransporteerd door de werking van de luchtstroom. Deze aerosolen kunnen langer in suspensie blijven en verspreiden zich over een groter gebied. De grootste deeltjes blijven enkele seconden in de lucht, terwijl de kleinste tot enkele minuten kunnen blijven zweven, Hoewel hun virale lading kleiner is, deze spuitbussen kunnen door gezichtsmaskers dringen en van kamer naar kamer worden verplaatst, bijvoorbeeld, via ventilatiesystemen. Het retentiepercentage van mondkapjes neemt af naarmate de deeltjes kleiner zijn.

Het gedrag van de deeltjeswolk hangt af van de grootte van de deeltjes en kan gecompliceerd worden door de effecten van verdamping, waardoor de diameter van de druppels geleidelijk afneemt.

Met de steun van het Consortium van Universitaire Diensten van Catalonië, de onderzoeksgroep vormen de faculteit Werktuigbouwkunde van de URV, onder leiding van Alexandre Fabregat en Jordi Pallarés, in samenwerking met onderzoekers van de University of the State of Utah en de University of Illinois, heeft hoogwaardige numerieke simulaties gebruikt om het proces van aërosolverspreiding dat wordt gegenereerd door hoesten of niezen in ongekend detail te bestuderen. Het detailniveau was zo hoog dat ze veel rekenkracht nodig hadden en talloze processors van een supercomputer die tegelijkertijd werkten.

De resultaten geven aan dat de luchtpluim die door de uitademing wordt geproduceerd, deeltjes draagt ​​van minder dan 32 micron boven de emissiehoogte, die een wolk genereert die een groot vermogen heeft om in suspensie te blijven en door luchtstromen over een aanzienlijke afstand te worden verspreid. De grootste deeltjes hebben een beperkte reikwijdte die niet verandert door het effect van verdamping tijdens de verplaatsing naar de grond. Uitgaande van de gebruikelijke virale ladingen voor infectieziekten, de resultaten werden gebruikt om een ​​kaart te tekenen van de concentratie van virusdeeltjes rond de besmette persoon nadat deze had gehoest of geniesd.

Dit onderzoek is gepubliceerd als twee wetenschappelijke artikelen in het tijdschrift Fysica van vloeistoffen met de titels "Directe numerieke simulatie van de turbulente stroming gegenereerd tijdens een gewelddadige expiratoire gebeurtenis" en "Directe numerieke simulatie van turbulente dispersie van verdampende aerosolwolken geproduceerd door een intense expiratoire gebeurtenis." Beide artikelen stonden op de voorkant vanwege hun wetenschappelijke impact.