Emprant sistemes de computació d’altes prestacions, l’equip d’investigadors de la URV i els col·laboradors han simulat el flux d’aire produït per la tos i els esternuts amb un detall sense precedents. Els resultats permeten entendre millor les característiques del flux produït per  la respiració i determinar la capacitat dels aerosols infecciosos per dispersar-se en l’entorn i mantenir-s’hi suspesos, la qual cosa facilita el contagi de la covid-19 i altres malalties de transmissió aèria

A principis d’abril del 2021, el nombre de persones infectades durant la pandèmia de covid-19 arribava a més de 130 milions de persones de les quals més de 2,8 milions han mort. La transmissió del virus SARS-CoV-2, responsable de la covid-19, es produeix sobretot a través de les gotetes o aerosols emesos quan una persona infectada parla, esternuda o tus. Així és com els virus i altres patògens es dispersen en l’ambient i poden transmetre malalties infecciones quan alguna persona les inhala.

La capacitat d’aquestes partícules per mantenir-se en suspensió a l’aire i dispersar-se en l’entorn depèn principalment de la mida i les característiques del flux d’aire generat per l’exhalació més o menys violenta d’aire. Com també passa amb altres malalties infeccioses de transmissió aèria, com la tuberculosi, la grip comuna o el xarampió, el paper que té la dinàmica de fluids és clau a l’hora de predir el risc d’infecció per inhalació d’aquestes partícules en suspensió.

Si es considera un episodi de tos idealitzat amb una durada de 0,4 segons a una velocitat d’aire exhalat màxima de 4,8 m/s, el flux genera primer un doll turbulent d’aire més calent i humit que el de l’entorn. Un cop finalitzada l’exhalació, el doll evoluciona cap a un buf que ascendeix a causa de  la flotació, del seu poc pes, mentre es dissipa descrivint una trajectòria ascendent.

Les partícules transportades per aquest flux formen núvols amb trajectòries molt diferents segons la mida. Les més grans, amb una dinàmica dominada per la gravetat, descriuen línies parabòliques amb un abast horitzontal molt marcat. Tot i la limitada capacitat per mantenir-se en suspensió i el limitat abast horitzontal, la càrrega viral pot ser potencialment elevada perquè tenen una mida gran (diàmetres més grans de 50 micres).

En contrast, les més petites (amb diàmetres inferiors a 50 micres) són transportades sobretot per l’acció de l’arrossegament exercit per flux d’aire de fons. Aquests aerosols són capaços de mantenir-se en suspensió durant més temps i es dispersen sobre distàncies més grans. Les més grans s’aguanten a l’aire uns segons, mentre que les més petites poden arribar a mantenir-s’hi uns quants minuts. Tot i la càrrega viral inferior, aquest aerosols són capaços de superar la contenció de les mascaretes facials i viatjar d’una estança a una altra a través, per exemple, dels sistemes de ventilació. El percentatge de retenció de les mascaretes baixa amb les partícules més petites.

Aquest comportament diferenciat del núvol de partícules en funció de la mida es complica a causa dels efectes de l’evaporació que provoca la progressiva reducció del diàmetre de la goteta a mesura que s’evapora.

El vídeo mostra els resultats de la simulació numèrica de la dispersió dels aerosols produïts en un esternut. Les partícules s’expulsen durant la durada de l’exhalació d’aire i són principalment transportades per l’acció d’arrossegament de l’aire en moviment i la gravetat. Per tal d’avaluar l’impacte de que té l’evaporació de la fracció aquosa que provoca la reducció de mida de partícula, es compara el transport d’aerosols sense evaporació (panell  esquerra) i amb evaporació (panell dret). El color indica la fracció d’aigua evaporada amb valors entre 0 i 1 per a una fracció evaporada nul·la i total respectivament. 

Amb el Suport del Consorci de Serveis Universitaris de Catalunya, el grup d’investigadors del Departament d’Enginyeria Mecànica de la Universitat Rovira i Virgili, liderat per Alexandre Fabregat i Jordi Pallarés, en col·laboració amb investigadors de la Universitat de l’Estat d’Utah i la Universitat d’Illinois, ha emprat simulacions numèriques d’altres prestacions per estudiar amb un nivell de detall sense precedents el procés de dispersió d’aerosols generat per un episodi de tos o un esternut. El nivell de detall ha estat tan alt que ha calgut molta potència de càlcul, molts processadors d’un supercomputador treballant al mateix temps.

Els resultats indiquen que la capacitat d’ascendir a causa de la flotació del buf d’aire produït per l’exhalació permet arrossegar les partícules de menys de 32 micres per sobre l’alçada d’emissió, la qual cosa genera un núvol amb una alta capacitat per mantenir-se en suspensió i ser dispersat sobre distàncies significatives pels corrents d’aire ambientals. Les partícules més grans tenen un abast molt limitat que no es veu alterat per l’efecte de l’evaporació durant la trajectòria cap al terra. Assumint valors de càrrega viral habituals en una malaltia infecciosa, els resultats han permès obtenir un mapa de la concentració de partícules víriques al voltant de la persona infectada després que hagi tossit o esternudat.

Aquesta investigació s’ha publicat en forma de dos articles científics a la revista Physics of Fluids amb els títols “Direct numerical simulation of the turbulent flow generated during a violent expiratory event” i “Direct Numerical Simulation of turbulent dispersion of evaporative aerosol clouds produced by an intense expiratory event”. Tots dos articles han estat destacats en portada a causa del seu impacte científic.

Referències bibliogràfiques:

Alexandre Fabregat, Ferran Gisbert, Anton Vernet, Som Dutta, Ketan Mittal, and Jordi Pallarès, “Direct numerical simulation of the turbulent flow generated during a violent expiratory event”, Physics of Fluids 33, 035122 (2021) https://doi.org/10.1063/5.0042086

Alexandre Fabregat, Ferran Gisbert, Anton Vernet, Josep Anton Ferré, Ketan Mittal, Som Dutta, and Jordi Pallarès , “Direct numerical simulation of turbulent dispersion of evaporative aerosol clouds produced by an intense expiratory event”, Physics of Fluids 33, 033329 (2021) https://doi.org/10.1063/5.0045416