Soziale Distanzierung reicht nicht aus, um Infektionen zu verhindern – Wie man COVID-19-Super-Spreizer aufspürt.

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Die Dynamik gefährlicher Tröpfchen verstehen

Neue Forschungen zur Flüssigkeitsdynamik zeigen, warum soziale Distanzierung allein eine Infektion in Innenräumen nicht unbedingt verhindert und wie man COVID-19-Superverbreiter nachweisen kann.

Forscher, die sich mit der Physik von Flüssigkeiten beschäftigen, lernen, warum bestimmte Situationen das Risiko erhöhen, dass Tröpfchen Krankheiten wie COVID-19 übertragen.

Auf der 73. Jahrestagung der Abteilung für Flüssigkeitsdynamik der American Physical Society legten die Wissenschaftler neue Beweise dafür vor, warum es gefährlich ist, sich in geschlossenen Räumen zu treffen – vor allem, wenn es kalt und feucht ist, und selbst dann, wenn man sich mehr als einen Meter von anderen Menschen entfernt befindet. Sie schlugen vor, welche Masken die ansteckendsten Tröpfchen auffangen können. Und sie stellten neue Instrumente zur Messung von Super-Spreizern zur Verfügung.

“Die derzeitigen epidemiologischen Modelle für infektiöse Atemwegserkrankungen berücksichtigen nicht die der Krankheitsübertragung zugrunde liegende Strömungsphysik”, sagte der Ingenieurprofessor Swetaprovo Chaudhuri von der Universität Toronto, einer der Forscher.

Aber Flüssigkeiten und ihre Dynamik sind entscheidend für die Gestaltung des Erregertransports, der die Übertragung von Infektionskrankheiten beeinflusst, erklärte die mathematische Physikerin und Professorin Lydia Bourouiba, Direktorin des Labors für Fluiddynamik der Krankheitsübertragung am MIT. Sie hielt einen eingeladenen Vortrag über die Arbeiten, die sie in den letzten zehn Jahren zur Fluiddynamik von Infektionskrankheiten und Krankheitsübertragungen geleistet hat.

Visualisierung der Tröpfchenlebensdauer bei kaltem Wetter, mit RH = 90% und einer Umgebungstemperatur von 10oC. Verdienst: Detlef Lohse

“Meine Arbeit hat gezeigt, dass Ausatmungen keine isolierten Tröpfchen sind, sondern tatsächlich als turbulente, mehrphasige Wolke herauskommen. Diese Gaswolke ist entscheidend, um die Reichweite zu erhöhen und die Verdampfungsphysik der darin enthaltenen Tröpfchen zu verändern”, sagte Bourouiba. “Im Zusammenhang mit Infektionskrankheiten der Atemwege, insbesondere jetzt COVID-19, unterstreicht diese Arbeit die Bedeutung einer Änderung der Abstands- und Schutzrichtlinien auf der Grundlage der Strömungsdynamikforschung, insbesondere im Hinblick auf das Vorhandensein dieser Wolke.

Bourouiba präsentierte Beispiele aus einer Reihe von Infektionskrankheiten, darunter auch COVID-19, und erörterte die Entdeckung, dass die Ausatmung neben einer reichhaltigen instationären Flüssigkeitsfragmentierung komplexer Schleimhaut-Speichelhals-Flüssigkeit verschiedene Strömungsregime beinhaltet. Ihre Forschung zeigt die Bedeutung der Gasphase, die das physikalische Bild der Ausatmung und der Tröpfchen völlig verändern kann.

Der Wissenschaftler des Nordischen Instituts für Theoretische Physik, Dhrubaditya Mitra, und sein Team erkannten, dass sie die mathematischen Gleichungen, die für Parfüm gelten, verwenden könnten, um zu berechnen, wie lange es dauern würde, bis virale Tröpfchen Sie in Innenräumen erreichen. Es stellte sich heraus: überhaupt nicht sehr lange.

“Es zeigte uns, wie sinnlos die meisten sozialen Distanzierungsregeln sind, wenn wir erst einmal drinnen sind. – Duschbaditya Mitra

Parfüm, das von jemandem am Nebentisch oder in der Kabine getragen wird, gelangt dank der Turbulenzen in der Luft in Ihre Nase. Feine Tröpfchen, die von einer infizierten Person ausgespuckt werden, verbreiten sich auf die gleiche Weise. Die Forscher fanden heraus, dass sich die Tröpfchen unterhalb eines relativen Abstands, der als Integralskala bekannt ist, ballistisch und sehr schnell bewegen.

Selbst oberhalb der integralen Skala besteht Gefahr. Betrachten wir ein Beispiel, bei dem die integrale Skala zwei Meter beträgt. Würden Sie drei Meter – knapp unter drei Meter – von einer infizierten Person entfernt stehen, würden die Tröpfchen mit ziemlicher Sicherheit in etwa einer Minute zu Ihnen gelangen.

“Es hat uns gezeigt, wie sinnlos die meisten sozialen Distanzierungsregeln sind, wenn wir erst einmal drinnen sind”, sagte Mitra, die die Forschung zusammen mit ihrem Kollegen Akshay Bhatnagar am Nordischen Institut für Theoretische Physik und Akhilesh Kumar Verma und Rahul Pandit am Indischen Institut für Wissenschaften durchführte.

Abgesehen davon, dass sich die Tröpfchen weiter und schneller fortbewegen, können sie in Innenräumen auch länger überleben als bisher angenommen.

Forschungen in den 1930er Jahren analysierten, wie lange Atmungströpfchen überleben, bevor sie verdampfen oder auf den Boden aufschlagen. Die fast hundert Jahre alten Erkenntnisse bilden die Grundlage für unser heutiges Mantra, “sechs Fuß Abstand von anderen zu halten”.

Physiker der Universität Twente nahmen das Thema wieder auf. Sie führten eine numerische Simulation durch, aus der hervorging, dass die Lebensdauer der Tröpfchen mehr als 100 Mal länger sein kann, als die Standards der 1930er Jahre vermuten lassen.

“Die derzeitigen sozialen Distanzierungsregeln basieren auf einem Modell, das inzwischen überholt sein dürfte”, sagte der Physiker Detlef Lohse, der das Team leitete.

In einem kalten und feuchten Raum verdampfen ausgeatmete Tröpfchen nicht so schnell. Der entstehende heiße, feuchte Hauch schützt die Tröpfchen und verlängert ihre Lebensdauer, ebenso wie kollektive Effekte.

“Die derzeitigen sozialen Distanzierungsregeln basieren auf einem Modell, das inzwischen überholt sein dürfte. – Detlef Lohse

Einige Tröpfchen sind wahrscheinlicher als andere, um Sie krank zu machen. Chaudhuri von der Universität Toronto untersuchte zusammen mit Forschern des Indian Institute of Science und der University of California San Diego mit Hilfe von Experimenten mit menschlichen Speicheltröpfchen und computergestützten Analysen, warum das so ist.

Sie fanden heraus, dass einige der infektiösesten Tröpfchen bei einer Größe von 10 bis 50 Mikrometern beginnen. “Unter bestimmten Annahmen scheint es, dass, wenn jeder eine Maske trägt, die vor

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