Entro l'inizio di aprile 2021, il numero di persone infette durante la pandemia di COVID-19 era salito a oltre 130 milioni di persone di cui oltre 2,8 milioni sono morte. Il virus SARS-CoV-2 responsabile di COVID-19 viene trasmesso in particolare da goccioline o aerosol emessi quando una persona infetta parla, starnutisce o tossisce. È così che i virus e altri agenti patogeni si diffondono nell'ambiente e trasmettono malattie infettive quando vengono inalati da qualcun altro.

La capacità di queste particelle di rimanere sospese nell'aria e di diffondersi nell'ambiente dipende in larga misura dalle dimensioni e dalla natura del flusso d'aria generato dall'espirazione dell'aria. Come con altre malattie infettive trasmesse per via aerea come la tubercolosi, comune influenza o morbillo, il ruolo svolto dalla fluidodinamica è fondamentale per prevedere il rischio di infezione inalando queste particelle in sospensione.

In un evento di tosse che dura 0,4 secondi e ha una velocità massima dell'aria espirata di 4,8 m/s, il flusso genera prima un flusso d'aria turbolento che è più caldo e più umido di quello dell'ambiente. Una volta scaduta la scadenza, il torrente si trasforma in uno sbuffo d'aria che si alza per il galleggiamento e per la sua mancanza di peso mentre si disperde.

Le particelle trasportate da questo flusso formano nuvole, le cui traiettorie dipendono dalle loro dimensioni. La dinamica delle particelle più grandi è governata dalla gravità e descrive parabole con un chiaro limite orizzontale. Nonostante la loro limitata capacità di rimanere in sospensione e la limitata portata orizzontale, la carica virale può essere elevata perché di grandi dimensioni (diametri maggiori di 50 micron).

In contrasto, le particelle più piccole (con diametri inferiori a 50 micron) sono trasportate dall'azione del flusso d'aria. Questi aerosol sono in grado di rimanere in sospensione per tempi più lunghi e si diffondono su un'area maggiore. Le particelle più grandi rimangono nell'aria per alcuni secondi mentre le più piccole possono rimanere sospese fino a pochi minuti, Anche se la loro carica virale è minore, questi aerosol possono passare attraverso le maschere ed essere spostati da una stanza all'altra, Per esempio, attraverso sistemi di ventilazione. La percentuale di ritenzione delle maschere facciali diminuisce quando le particelle sono più piccole.

Il comportamento della nuvola di particelle dipende dalla dimensione delle particelle e può essere complicato dagli effetti dell'evaporazione, che riduce gradualmente il diametro delle goccioline.

Con il sostegno del Consorzio dei Servizi Universitari della Catalogna, il gruppo di ricerca del Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell'URV, guidato da Alexandre Fabregat e Jordi Pallarés, in collaborazione con ricercatori dell'Università dello Stato dello Utah e dell'Università dell'Illinois, ha utilizzato simulazioni numeriche ad alte prestazioni per studiare con dettagli senza precedenti il ​​processo di dispersione dell'aerosol generato da un colpo di tosse o uno starnuto. Il livello di dettaglio era così alto da richiedere una notevole potenza di calcolo e numerosi processori di un supercomputer funzionanti contemporaneamente.

I risultati indicano che il pennacchio d'aria prodotto dall'espirazione trasporta particelle di meno di 32 micron al di sopra dell'altezza di emissione, che genera una nuvola che ha una grande capacità di rimanere in sospensione e di essere dispersa dalle correnti d'aria su una distanza significativa. Le particelle più grandi hanno una portata limitata che non viene modificata dall'effetto dell'evaporazione durante lo spostamento al suolo. Assumendo le cariche virali abituali per le malattie infettive, i risultati sono stati utilizzati per tracciare una mappa della concentrazione di particelle virali intorno alla persona infetta dopo che aveva tossito o starnutito.

Questa ricerca è stata pubblicata come due articoli scientifici sulla rivista Fisica dei fluidi con i titoli "Simulazione numerica diretta del flusso turbolento generato durante un evento espiratorio violento" e "Simulazione numerica diretta della dispersione turbolenta di nuvole di aerosol evaporativo prodotte da un evento espiratorio intenso". Entrambi gli articoli sono stati presentati in copertina a causa del loro impatto scientifico.