Folkhälsoråden för att undvika luftvägssjukdomar är i stort sett oförändrade sedan spanska sjukan 1918, en av historiens dödligaste pandemier. Håll ett säkert avstånd från andra människor. Tvätta händerna ofta med tvål och vatten för att döda alla bakterier du kan ha plockat upp. Täck näsan och munnen med en ansiktsmask – även en som är gjord av en bandana duger. Sådan vägledning bygger på förståelsen att luftvägsinfektioner sprids genom virusbärande droppar som stöts ut när infekterade personer hostar, nysa, eller andas.

Men mer än ett sekel efter att spanska sjukan dödade 50 miljoner människor världen över, hur dessa vätskedroppar beter sig förblir till stor del ett mysterium. Rajat Mittal, en professor i maskinteknik vid Whiting School of Engineering och en expert på beräkningsvätskedynamik, tror att ytterligare forskning om luftvägssjukdomars flödesfysik kommer att vara nyckeln till att begränsa den nuvarande coronavirus-pandemin.

Idén fick Mittal vid ett besök nyligen i mataffären, där han märkte shoppare som bar skyddande ansiktsmasker. Hans sinne gick dit forskarnas sinnen brukar gå – till vetenskapen.

"Jag började undra om det finns någon data där ute om aerodynamiken hos dessa masker för att kvantifiera vad de verkligen gör, " säger Mittal. "När jag började dyka in i litteraturen, det blev tydligt att vätskedynamik korsar nästan alla aspekter av denna pandemi. Hur droppar bildas och bärs, hur de smittar andra, ventilatorerna vi använder för att behandla patienter med denna sjukdom, till och med förebyggande åtgärder som ansiktsmasker - många av dessa problem är i slutändan relaterade till vätskeflöde."

För att hjälpa till att stimulera nytt tänkande och forskning inom detta område, Mittal och ett team av hans fakultetskollegor sammanställde en översikt över den kända vätskedynamiken hos COVID-19 och vilka frågor som återstår. Denna rapport publiceras i Journal of Fluid Mechanics .

Dykning i droppar

Luftvägsinfektioner sprids från person till person genom virusbärande droppar via luftburen överföring eller genom kontakt med en yta som är förorenad av droppar. Infekterade personer driver ofta ut dessa droppar genom att hosta eller nysa – ett tecken på att andra bör undvika infektioner. Men överföring beror faktiskt på ett stort antal faktorer, inklusive antalet droppar, deras storlek, och deras hastighet under expiratoriska händelser som hosta, nysning, och andning.

Nysning, till exempel, kan driva ut tusentals stora droppar med en relativt hög hastighet, medan hosta genererar 10-100 gånger färre droppar. Att prata driver ut betydligt färre droppar fortfarande, ca 50 per sekund, och de är mindre. Dessa små droppar är mer benägna att sväva i luften, resa längre sträckor, och överföra infektion när de andas in. Stora droppar, å andra sidan, är mer benägna att kontaminera ytor och överföra infektioner genom beröring.

Som laget noterar i tidningen, många studier för att exakt mäta hur droppar genereras och transporteras har redan utförts. Dock, konsensus om droppbeteende förblir svårfångad på grund av fenomenens komplexa natur, samt svårigheten att göra sådana mätningar.

Ett område av intresse för vidare forskning fokuserar på bildandet av små droppar vid normala aktiviteter som att andas och prata. Detta kan belysa hur covid-19 överförs av asymtomatiska bärare som pratar eller andas normalt.

"En hypotes är att viruset bärs av mycket fina luftburna droppar, " säger flerfasflödesexperten Rui Ni, en biträdande professor i maskinteknik och en bidragsgivare till tidningen. "Just nu, vi förstår inte helt hur denna fina dimma fungerar för att transportera viruset. Och det har stora konsekvenser för social distansering, om vi bara bygger dessa riktlinjer på ett antagande om att droppar kan nå ett visst avstånd."

Faktiskt, en studie som citeras i deras papper visar att stora droppar som drivs ut från nysningar kan färdas 20 fot eller mer, så 6 fot kanske inte räcker för att eliminera risken för överföring. Enligt teamet, andra frågor som kräver djupare analys är droppavdunstning och inandning, hur droppar beter sig i inomhus- kontra utomhusmiljöer, och hur temperatur och luftfuktighet påverkar överföringshastigheterna.

Simulerande lösningar

Inneslutningsstrategier för COVID-19 är baserade på vad beslutsfattare tror att de vet om flödesfysik. Men Mittal och Ni varnar för att mycket av det är baserat på föråldrad information.

"Vi förespråkar bättre kvantifiering, för att du verkligen lägger siffror bakom dessa idéer, ", säger Mittal. "En del av det vi gör nu för att bekämpa covid-19 2020 är baserat på vetenskap från tidningar publicerade på 1930-talet. Vi har lärt oss så mycket sedan dess, men politiken måste komma ikapp."

Till exempel, även månader in i pandemin, många frågor omger fortfarande användningen av ansiktsmasker. Ansiktsmasker är ofta utformade för att skydda personen som bär masken - tänk på att en byggnadsarbetare försöker undvika att andas in farligt damm, till exempel. Men ansiktsmasker för att bekämpa överföring av covid-19 bör erbjuda både inre och yttre skydd, skydda andra lika mycket som det skyddar bäraren.

Forskare kan bättre förstå hur man förbättrar skyddet utåt genom att simulera flödesläckaget orsakat av luckor runt näsan och munnen, säger Jung-Hee Seo, docent i maskinteknik. Han arbetar med Mittal och Koroush Shoele från Florida State University på toppmoderna simuleringar för att analysera luftflöde och droppspridning i ansiktsmasker. Deras simuleringar tar hänsyn till olika ansiktsformer och maskstrukturer, så att de kan utvärdera effektiviteten hos olika maskdesigner.

Studien är i ett mycket tidigt skede, men i slutändan, dessa simuleringar kan ge bättre design för ansiktsmasker, speciellt för de som syr masker hemma, tillägger Mittal.

"Om någon gör en ansiktsmask hemma, kan vi berätta för dem ett enkelt steg för att göra ansiktsmasken bättre på vad den ska göra?" frågar han.

Vätskedynamik i aktion

Som så många forskare – och beslutsfattare och allmänheten, för den delen – teamet tänker redan framåt till en tid då livet kommer att återgå till en känsla av normalitet. De undrar:Hur kan det göras samtidigt som nya sändningar minimeras?

Beslut om återöppning kommer att dra nytta av nya rön om flödesfysiken för COVID-19-överföring, säger forskarna. "Tänk på att studenter återvänder till ett universitetsområde. Om vi ​​vet mer om aerodynamiken för dropprörelser, vi skulle potentiellt kunna designa om HVAC-system för att minska spridningen av droppar i en sovsal, till exempel, Ni säger. Samma idé skulle kunna fungera med äldreboenden. Om vi ​​alla bär masker, hur påverkar det utövandet av social distansering? Om vi ​​lägger mer vetenskap bakom denna tankegång, vi kan öppna landet på ett säkrare sätt."

Det nya coronaviruset är en utvecklande och komplex utmaning, och forskare inom varje disciplin kan bara ta itu med en liten aspekt av krisen. Fortfarande, Mittal ser en enorm möjlighet för dem inom vätskedynamikområdet att bidra till en lösning.

"Detta är i centrum för vårt expertområde, " säger han. "Vi kan ge insikter och verktyg som säkerställer att vi är bättre förberedda för att ta itu med nästa utbrott av covid-19 eller liknande sjukdom."