En ny studie av luftflödesmönster inuti en bils passagerarhytt ger några förslag för att potentiellt minska risken för överföring av covid-19 samtidigt som man delar turer med andra.

Studien, av ett team av Brown University-forskare, använde datormodeller för att simulera luftflödet inuti en kompakt bil med olika kombinationer av öppna eller stängda fönster. Simuleringarna visade att öppning av fönster – ju fler fönster desto bättre – skapade luftflödesmönster som dramatiskt minskade koncentrationen av luftburna partiklar som utbyts mellan en förare och en enstaka passagerare. Att spränga bilens ventilationssystem cirkulerade inte så bra luft som några öppna fönster, fann forskarna.

"Att köra runt med fönstren uppe och luftkonditioneringen eller värmen på är definitivt det värsta scenariot, enligt våra datorsimuleringar, " sa Asimanshu Das, en doktorand vid Browns School of Engineering och medförfattare till forskningen. "Det bästa scenariot vi hittade var att ha alla fyra fönster öppna, men till och med att ha en eller två öppna var mycket bättre än att ha alla stängda."

Das ledde forskningen tillsammans med Varghese Mathai, en tidigare postdoktor vid Brown som nu är biträdande professor i fysik vid University of Massachusetts, Amherst. Studien publiceras i tidskriften Vetenskapens framsteg .

Forskarna betonar att det inte finns något sätt att eliminera risken helt - och, självklart, nuvarande vägledning från U.S. Centers for Disease Control (CDC) noterar att att skjuta upp resor och stanna hemma är det bästa sättet att skydda personlig och samhällelig hälsa. Målet med studien var helt enkelt att studera hur förändringar i luftflödet i en bil kan förvärra eller minska risken för patogenöverföring.

Datormodellerna som användes i studien simulerade en bil, löst baserat på en Toyota Prius, med två personer inuti — en förare och en passagerare som sitter i baksätet på motsatt sida från föraren. Forskarna valde det sittarrangemanget eftersom det maximerar det fysiska avståndet mellan de två personerna (men fortfarande mindre än de 6 fot som rekommenderas av CDC). Modellerna simulerade luftflöde runt och inuti en bil som rörde sig i 50 miles per timme, samt rörelsen och koncentrationen av aerosoler som kommer från både förare och passagerare. Aerosoler är små partiklar som kan ligga kvar i luften under långa perioder. De tros vara ett sätt på vilket SARS-CoV-2-viruset överförs, särskilt i slutna utrymmen.

En del av anledningen till att öppning av fönster är bättre när det gäller aerosolöverföring är för att det ökar antalet luftbyten per timme (ACH) inne i bilen, vilket hjälper till att minska den totala koncentrationen av aerosoler. Men ACH var bara en del av historien, säger forskarna. Studien visade att olika kombinationer av öppna fönster skapade olika luftströmmar inuti bilen som antingen kunde öka eller minska exponeringen för kvarvarande aerosoler.

På grund av hur luften strömmar över bilens utsida, lufttrycket nära bakrutorna tenderar att vara högre än trycket vid framrutorna. Som ett resultat, luft tenderar att komma in i bilen genom de bakre fönstren och ut genom de främre fönstren. Med alla fönster öppna, denna tendens skapar två mer eller mindre oberoende flöden på vardera sidan av kabinen. Eftersom de åkande i simuleringarna satt på motsatta sidor av kabinen, Det slutar med att mycket få partiklar överförs mellan de två. Föraren i detta scenario löper något högre risk än passageraren eftersom det genomsnittliga luftflödet i bilen går bakifrån och framåt, men båda passagerarna upplever en dramatiskt lägre överföring av partiklar jämfört med något annat scenario.

Simuleringarna för scenarier där vissa men inte alla fönster är nere gav några möjligen kontraintuitiva resultat. Till exempel, man kan förvänta sig att öppna fönster direkt bredvid varje passagerare kan vara det enklaste sättet att minska exponeringen. Simuleringarna visade att även om den här konfigurationen är bättre än inga fönster nere alls, det medför en högre exponeringsrisk jämfört med att sätta ner fönstret mittemot varje passagerare.

"När fönstren mittemot de åkande är öppna, du får ett flöde som kommer in i bilen bakom föraren, sveper över kabinen bakom passageraren och går sedan ut genom passagerarsidans främre fönster, sa Kenny Breuer, en professor i teknik vid Brown och en senior författare av forskningen. "Det mönstret hjälper till att minska korskontaminering mellan förare och passagerare."

Det är viktigt att notera, forskarna säger, att luftflödesjusteringar inte ersätter maskbärande av båda passagerarna i en bil. Och fynden är begränsade till potentiell exponering för kvardröjande aerosoler som kan innehålla patogener. Studien modellerade inte större luftvägsdroppar eller risken att faktiskt bli infekterad av viruset.

Fortfarande, forskarna säger att studien ger värdefulla nya insikter om luftcirkulationsmönster i en bils passagerarutrymme – något som hade fått lite uppmärksamhet tidigare.

"Det här är den första studien vi är medvetna om som verkligen tittade på mikroklimatet inuti en bil, ", sa Breuer. "Det hade gjorts några studier som tittade på hur mycket extern förorening som kommer in i en bil, eller hur länge cigarettrök dröjer i en bil. Men det här är första gången någon har tittat på luftflödesmönster i detalj."

Forskningen växte fram ur en COVID-19-forskningsarbetsgrupp etablerad på Brown för att samla expertis från hela universitetet för att ta itu med vitt skilda aspekter av pandemin. Jeffrey Bailey, en docent i patologi och laboratoriemedicin och en medförfattare till luftflödesstudien, leder gruppen. Bailey var imponerad av hur snabbt forskningen kom samman, Mathai föreslog användningen av datorsimuleringar som kunde göras medan laboratorieforskningen vid Brown pausades för pandemin.

"Detta är verkligen ett bra exempel på hur olika discipliner snabbt kan mötas och producera värdefulla resultat, " sa Bailey. "Jag pratade kort med Kenny om den här idén, och inom tre eller fyra dagar gjorde hans team redan några preliminära tester. Det är en av de fantastiska sakerna med att vara på en plats som Brown, där människor är ivriga att samarbeta och arbeta över discipliner."