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Studie: Verbreitung der Coronaviren aus physikalischer Sicht

Ein Rechenmodell, das von Professor Swetaprovo Chaudhuri von der Universität von Toronto in Kanada und seinen internationalen Mitarbeitern entwickelt wurde, soll anhand physikalischer Gesetze das Verhalten der mikroskopischen Tröpfchen vorherzusagen, die das COVID-19-Virus verbreiten. Demnach wandern Atemtröpfchen, die beim Husten oder Niesen entstehen, in feuchten, kalten Klimazonen weiter und halten länger als in heißer, trockener Umgebung. Das Forscherteam beschreibt ihre Erkenntnisse in der Zeitschrift “Physics of Fluids”.

© peterschreiber.media – stock.adobe.com

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Professor Swetaprovo Chaudhuri (University of Toronto, Institute for Aerospace Studies: UTIAS) verbringt normalerweise seine Zeit damit, darüber nachzudenken, wie sich Flüssigkeiten durch Düsentriebwerke bewegen. Dieses Fachwissen hat er nun dazu eingesetzt, um die Verbreitung von COVID-19-Viren zu untersuchen. „Bei Flugzeugtriebwerken wird Kraftstoff in einem feinen Sprühnebel aus Tröpfchen in die Brennkammer eingespritzt, deren Größe den Tröpfchen entspricht, die beim Husten oder Niesen ausgestoßenen werden“, erklärte er. Es ist bekannt, dass das SARS-CoV-2-Virus, das für die Covid-19-Pandemie verantwortlich ist, über Atemtröpfchen übertragen wird, die beim Sprechen, Husten oder Niesen ausgeatmet werden. Bei jedem Atemstoß werden Tröpfchen in unterschiedlichen Größen auf unterschiedlichen Wegen bzw. Flugbahnen ausgestoßen.

Bereits im März, als die Pandemie in Kanada und anderen Ländern ausbrach, rief Chaudhuri einige langjährige Mitarbeiter an: Professor Abhishek Saha von der University of California in San Diego und Professor Saptarshi Basu vom Indian Institute of Science. Gemeinsam überlegten sie, was erforderlich sei, um die physikalischen Modellrechnungen, die u.a. die Verteilung von feinen Tröpfen in Düsentriebwerken kalkulierten, zur Berechnung der Verbreitung der virushaltigen Tröpfchen und Aerosole nutzen zu können.

"So wie wir es sehen, ist die Physik in mindestens drei Ebenen involviert", verdeutlichte Chaudhuri. „Als Erstes die Frage, wie sich die Tröpfchen und Aerosole bilden und wie sie verdampfen. Dann die Größenverteilung und die Flugbahn von Tröpfchen, die beim Niesen oder Husten entstehen. Die dritte Frage betrifft die Interaktion zwischen Menschen. Zunächst können wir Interaktionen zwischen Menschen genauso modellieren wie Kollisionen zwischen Molekülen  […]”, beschrieb er das Vorgehen.
Das Team glaubt, dass ihr Modell das erste ist, das die Aerodynamik und Verdunstungsphysik innerhalb einer Wolke von Atemtröpfchen explizit mit den Gleichungen verbindet, die die Ausbreitung von Krankheiten in einer menschlichen Bevölkerung beschreiben.
Chaudhuri schränkte jedoch ein, dass er und seine Kollegen weder Virologen noch Epidemiologen sind. Darüber hinaus basieren die Vorhersagen ihres Modells auf „idealisierten Annahmen“, die durch Experimente weiter validiert werden müssen. Trotzdem ermögliche das Modell dem Team, eine Reihe wichtiger Schlussfolgerungen zu ziehen.
Kühle und feuchte Bedingungen begünstigen Verbreitung der Atemtröpfchen – etwa 3 Meter Fortbewegung in der Luft möglich
Die Experten stellten fest, dass Atemtröpfchen unter kühlen, feuchten Bedingungen länger “überleben” - und sich daher weiter fortbewegen können - als unter heißen, trockenen Bedingungen. Selbst unter moderaten Bedingungen sagt das Modell voraus, dass sie sich fast 3 Meter (12 Fuß) in der Luft bewegen könnten, bevor sie verdunsten. „Wenn die relative Luftfeuchtigkeit mehr als 85% beträgt, verdunsten viele Atemtröpfchen nicht und können sehr lange Strecken zurücklegen“, berichtete Chaudhuri. „Selbst unter Bedingungen, unter denen sie verdampfen, könnten die verbleibenden halbfesten Tröpfchenkerne weiter fortbestehen und stundenlang in verdünnter Konzentration in der Luft schweben. Ob das SARS-CoV-2-Virus in diesen Kernen noch infektiös ist, muss jedoch noch geklärt werden.
“Eine weitere Schlussfolgerung ist, dass sich innerhalb einer Tröpfchenwolke die mittelgroßen Tröpfchen sich vor ihrer Verdunstung am weitesten ausbreiten. Dies liegt daran, dass kleinere Tröpfchen unter den meisten Bedingungen schneller verdunsten, während größere schwerer sind und sich absetzen […].” „Die am längsten überlebenden Tröpfchen haben einen Anfangsdurchmesser zwischen 18 und 48 Mikrometern bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von weniger als 80%“, beschrieb Chaudhuri. "Glücklicherweise ist dies eine Größe, die durch Masken herausgefiltert werden kann, was darauf hindeutet, dass eine weit verbreitete Maskenverwendung sicherlich dazu beitragen kann, die Übertragung zu reduzieren."
Professor Saptarshi Basu vom Department of Mechanical Engineering des Indian Institute of Science in Bengaluru, Karnataka (Indien), ein weiterer Autor der Studie, verdeutlichte, dass die Lebensdauer eines Tropfens mehr von der Luftfeuchtigkeit als von der Temperatur abhänge. „Dies bedeutet, dass er bei hoher Luftfeuchtigkeit (relative Luftfeuchtigkeit) länger überlebt und daher längere Strecken zurücklegt, bevor er verdunstet oder sich absetzt. Eine kalte Temperatur verlängert zwar die Lebensdauer, jedoch nicht so stark wie die Luftfeuchtigkeit“, betonte er.

Die Autoren fanden ebenso heraus, dass Tröpfchen im Bereich von 14 bis 48 Mikrometern länger brauchen, um zu verdampfen und größere Entfernungen zurückzulegen. Kleinere Tröpfchen verdampfen innerhalb von Sekundenbruchteilen, während Tröpfchen mit einer Größe von mehr als 100 Mikrometern sich schnell auf dem Boden absetzen. Das Tragen von Masken würde Partikel in diesem kritischen Bereich einfangen.

Es seien noch weitere Experimente erforderlich, um die im Modell verwendeten Parameter zu verfeinern, so die Autoren der Studie. Aber sie hoffen, dass der Ansatz mit dem gegenwärtigen Stand der Epidemiologie kombiniert werden könnte, um zu genaueren Vorhersagen für die Zukunft zu führen.

Quellen: SCiTechDaily, UTIAS, IndianExpress, Physics of Fluids