Due gruppi di ricercatori dei Sandia National Laboratories hanno pubblicato articoli sulle goccioline di liquido spruzzate da colpi di tosse o starnuti e fino a che punto possono viaggiare in condizioni diverse.

Entrambi i team hanno utilizzato l'esperienza decennale di Sandia con simulazioni al computer avanzate studiando come si muovono liquidi e gas per la sua missione di gestione delle scorte nucleari.

Le loro scoperte rafforzano l'importanza di indossare maschere, mantenere il distanziamento sociale, evitando ambienti interni poco aerati e lavandosi spesso le mani, soprattutto con l'emergere di nuovi, varianti più trasmissibili di SARS-CoV-2, il virus che causa il COVID-19.

Uno studio ha utilizzato strumenti di simulazione al computer ad alte prestazioni sviluppati da Sandia per modellare la tosse con e senza una brezza e con e senza barriere protettive. Questo lavoro è stato recentemente pubblicato sulla rivista scientifica Atomizzazione e Spray .

Stefano Domino, il principale informatico sulla carta, ha detto che la sua squadra ha scoperto che mentre le barriere protettive, come pareti divisorie in plexiglass nei negozi di alimentari, offrono protezione da goccioline più grandi, particelle molto piccole possono persistere nell'aria per un tempo prolungato e percorrere una certa distanza a seconda delle condizioni ambientali.

Una ricerca separata di modellazione al computer presso Sandia ha esaminato cosa succede alle goccioline di aerosol più piccole in condizioni diverse, anche quando una persona indossa una copertura per il viso. Quello studio ha dimostrato che le maschere e gli scudi per il viso impediscono anche alle piccole goccioline di una tosse di disperdersi a grandi distanze, ha detto il ricercatore Cliff Ho, chi sta conducendo questo sforzo. Questo lavoro è stato pubblicato sulla rivista Modellazione matematica applicata il 24 febbraio.

La simulazione della tosse mostra particelle persistenti

Nelle simulazioni eseguite dal team di Domino attraverso i computer ad alte prestazioni di Sandia, goccioline più grandi da una tosse senza vento al traverso e senza copertura del viso sono cadute al massimo a circa tre metri, o a circa nove piedi di distanza. Hanno anche scoperto che i "nuclei di goccioline" secchi, "o aerosol, rimasto dopo che il liquido è evaporato da una gocciolina percorsa all'incirca alla stessa distanza ma rimasta nell'aria per i due minuti che hanno modellato.

Aggiungere una partizione in plexiglass all'impasto, e le loro simulazioni al computer hanno mostrato che goccioline più grandi si attaccano alla barriera, che mitiga il rischio di trasmissione diretta, ma i nuclei delle goccioline più piccole persistono nell'aria, ha detto Domino.

Quando hanno aggiunto una brezza di 10 metri al secondo dal retro alla simulazione senza barriera, le goccioline più grandi hanno viaggiato fino a 11 piedi e mezzo e i nuclei delle goccioline hanno viaggiato più lontano.

Questo studio non mette in discussione lo standard di distanza sociale di 6 piedi raccomandato dai Centers for Disease Control and Prevention progettato per prevenire il contatto diretto con la maggior parte delle goccioline più grandi. In una tipica tosse di una persona infetta, circa il 35% delle goccioline potrebbe avere il virus presente, ma sono ancora in fase di sviluppo modelli di quanto SARS-CoV-2 e le sue varianti sono necessarie per infettare un'altra persona, ha detto Domino.

"Un recente documento di revisione sulla trasmissione di SARS-CoV-2 apparso nel Annali di Medicina Interna suggerisce che la trasmissione respiratoria è la via di trasmissione dominante. Come tale, riteniamo che la creazione di uno strumento di modellazione e simulazione credibile per modellare il trasporto di goccioline contenenti agenti patogeni provenienti dalla tosse e il modo in cui persistono negli spazi pubblici in cui tutti abitiamo rappresenti un pezzo fondamentale della scienza richiesta, " disse. Partizioni, maschere, riduzione dei contatti, stare a casa quando non si sente bene e farsi vaccinare è ancora importante per aiutare a ridurre la trasmissione, soprattutto con le nuove varianti più trasmissibili.

Domino ha anche condotto una modellazione al computer di spazi aperti all'aperto e ha scoperto che le persone in piedi esposte alla tosse da parte di qualcuno in posizione inginocchiata avevano un rischio di esposizione relativamente basso rispetto alle persone sedute. Ciò è dovuto al modo in cui le goccioline e gli aerosol interagiscono con le complesse brezze che si muovono intorno alle persone. Questo lavoro è stato pubblicato sull'International Journal of Computational Fluid Dynamics il 1 aprile. Le simulazioni di Domino hanno utilizzato oltre quattro milioni di ore di elaborazione del computer e sono state eseguite su più processori contemporaneamente.

Le simulazioni supportano il distanziamento sociale, maschere

Ho ha utilizzato un modello informatico di fluidodinamica disponibile in commercio per simulare vari eventi che espellono fluido umido, come tosse, starnuti, parlare e anche respirare, per capire come influenzano il trasporto e la trasmissione di agenti patogeni aerotrasportati. Ha ipotizzato che i patogeni virali fossero aerosolizzati in minuscole goccioline e che la distribuzione e la concentrazione dei patogeni potessero essere rappresentate dalla concentrazione del vapore espirato simulato.

"Ho introdotto concentrazioni spaziali e temporali nella modellazione per sviluppare rischi quantificati di esposizione in base alla distanza di separazione, durata dell'esposizione e condizioni ambientali, come il flusso d'aria e i rivestimenti per il viso, " ha detto Ho. "Potrei quindi determinare la probabilità di infezione in base alle concentrazioni spaziali e temporali di aerosol, carica virale, tasso di infettività, vitalità virale, probabilità di deposizione polmonare e velocità di inalazione."

Il modello ha anche confermato che indossare una maschera facciale o uno schermo facciale riduceva significativamente la corsa in avanti del vapore espirato e il rischio di esposizione di circa dieci volte. Però, le concentrazioni di vapore vicino al viso persistevano più a lungo che senza rivestimenti per il viso.

Globale, il modello ha mostrato che il distanziamento sociale ha ridotto significativamente il rischio di esposizione agli aerosol di almeno dieci volte e ha consentito il tempo per la diluizione e la dispersione del pennacchio virale esalato. Altri modelli hanno quantificato il grado in cui essere sopravvento o al traverso rispetto alla fonte della tosse riduceva i rischi di esposizione, e il grado di essere direttamente sottovento rispetto alla tosse aumentava i rischi di esposizione.

I rischi di esposizione diminuivano con l'aumentare della distanza, ma il più grande aumento del beneficio fu a tre piedi. I modelli di Ho hanno anche quantificato il grado in cui indossare una maschera riduce i rischi di esposizione a varie distanze.

In breve, la modellazione al computer ha confermato l'importanza del distanziamento sociale e dell'uso di maschere. Inoltre, stare sopravento e aumentare la ventilazione dell'aria fresca in luoghi come negozi di alimentari, ristoranti e scuole possono aiutare a ridurre il rischio di esposizione.

Ho anche condotto modelli al computer di scuolabus e ha scoperto che l'apertura di finestre sugli scuolabus aumentava la ventilazione e riduceva i rischi di esposizione. Nello specifico, per ottenere una ventilazione sufficiente, devono essere aperte almeno due serie di finestre, uno vicino alla parte anteriore dell'autobus e uno vicino alla parte posteriore dell'autobus.

Il lavoro di gestione delle scorte di Sandia aiuta le simulazioni

I ricercatori di Sandia sono stati in grado di applicare molti degli stessi strumenti di calcolo utilizzati nella loro missione di gestione delle scorte nucleari per simulare le goccioline di tosse e starnuti, così come le risorse di elaborazione ad alte prestazioni avanzate di Sandia. Per la missione di deterrenza nucleare, questi strumenti studiano cose come come i getti turbolenti, pennacchi e fuochi propulsivi reagiscono in condizioni diverse.

"Possiamo distribuire la nostra capacità di strumento di simulazione ad altre applicazioni, " disse Domino. "Se guardi la fisica di un colpo di tosse o di uno starnuto, include attributi di questa fisica che normalmente studiamo a Sandia. Possiamo simulare la traiettoria delle goccioline e come interagiscono nell'ambiente".

Tali condizioni ambientali possono includere variabili, come la temperatura, umidità, traiettoria di lancio, e forza e direzione del vento al traverso. Possono anche includere barriere naturali e artificiali.

Insieme agli studi condotti da altri sullo spray per la tosse, Le capacità di simulazione al computer di Sandia aggiungono il valore di vedere come le goccioline di un colpo di tosse reagiscono a condizioni diverse. Gli strumenti di simulazione di Sandia combinano la massa, quantità di moto ed energia delle goccioline per catturare la fisica dell'evaporazione dettagliata che supporta la capacità di distinguere tra le goccioline che si depositano e quelle che persistono nell'ambiente.