Les conseils de santé publique pour éviter les maladies respiratoires sont en grande partie inchangés depuis la grippe espagnole de 1918, l'une des pandémies les plus meurtrières de l'histoire. Gardez une distance de sécurité avec les autres personnes. Lavez-vous les mains fréquemment avec de l'eau et du savon pour tuer tous les germes que vous pourriez avoir ramassés. Couvrez-vous le nez et la bouche avec un masque facial, même un masque confectionné à partir d'un bandana fera l'affaire. Ces conseils sont basés sur la compréhension que les infections respiratoires se propagent par des gouttelettes porteuses de virus qui sont expulsées lorsque les personnes infectées toussent, éternuement, ou respirer.

Mais plus d'un siècle après que la grippe espagnole ait tué 50 millions de personnes dans le monde, le comportement de ces gouttelettes de liquide reste en grande partie un mystère. Rajat Mittal, professeur de génie mécanique à la Whiting School of Engineering et expert en dynamique des fluides numérique, estime que des recherches supplémentaires sur la physique des flux des maladies respiratoires seront essentielles pour contenir la pandémie actuelle de coronavirus.

L'idée est venue à Mittal lors d'une récente visite à l'épicerie, où il a remarqué que les acheteurs portaient des masques protecteurs. Son esprit allait là où l'esprit des chercheurs allait habituellement :vers la science.

"J'ai commencé à me demander s'il existe des données sur l'aérodynamique de ces masques pour quantifier ce qu'ils font vraiment, " dit Mittal. " Alors que je commençais à me plonger dans la littérature, il est devenu clair que la dynamique des fluides recoupe presque tous les aspects de cette pandémie. Comment les gouttelettes sont formées et transportées, comment ils infectent les autres, les ventilateurs que nous utilisons pour traiter les patients atteints de cette maladie, même des mesures préventives comme les masques faciaux - bon nombre de ces problèmes sont en fin de compte liés à l'écoulement des fluides."

Pour aider à stimuler de nouvelles réflexions et recherches dans ce domaine, Mittal et une équipe de ses collègues du corps professoral ont compilé un aperçu de la dynamique des fluides connue de COVID-19 et des questions qui subsistent. Ce rapport est publié dans le Journal de la mécanique des fluides .

Plonger dans les gouttelettes

Les infections respiratoires se propagent d'une personne à l'autre par des gouttelettes porteuses de virus par transmission aérienne ou par contact avec une surface contaminée par des gouttelettes. Les personnes infectées expulsent souvent ces gouttelettes en toussant ou en éternuant, un signe révélateur que les autres doivent rester à l'écart pour éviter l'infection. Mais la transmission dépend en réalité d'un large éventail de facteurs, y compris le nombre de gouttelettes, leur taille, et leur vitesse pendant les événements expiratoires comme la toux, éternuement, et la respiration.

éternuements, par exemple, peut expulser des milliers de grosses gouttelettes à une vitesse relativement élevée, alors que la toux génère 10 à 100 fois moins de gouttelettes. Parler expulse encore beaucoup moins de gouttelettes, environ 50 par seconde, et ils sont plus petits. Ces petites gouttelettes sont plus susceptibles de se suspendre dans l'air, parcourir de plus grandes distances, et transmettent l'infection une fois qu'ils sont inhalés. Grosses gouttelettes, d'autre part, sont plus susceptibles de contaminer les surfaces et de transmettre l'infection par le toucher.

Comme l'équipe le note dans le document, de nombreuses études visant à mesurer avec précision la manière dont les gouttelettes sont générées et transportées ont déjà été menées. Cependant, le consensus sur le comportement des gouttelettes reste insaisissable en raison de la nature complexe des phénomènes, ainsi que la difficulté de faire de telles mesures.

Un domaine d'intérêt pour des recherches ultérieures se concentre sur la formation de petites gouttelettes lors d'activités normales telles que la respiration et la parole. Cela peut faire la lumière sur la façon dont COVID-19 est transmis par les porteurs asymptomatiques qui parlent ou respirent normalement.

"Une hypothèse est que le virus est transporté par de très fines gouttelettes en suspension dans l'air, " dit Rui Ni, expert en écoulement polyphasique, un professeur adjoint de génie mécanique et un contributeur à l'article. "À l'heure actuelle, nous ne comprenons pas tout à fait comment cette fine brume fonctionne dans le transport du virus. Et cela a de grandes implications pour la distanciation sociale, si nous basons uniquement ces directives sur l'hypothèse que les gouttelettes peuvent atteindre une certaine distance. »

En réalité, une étude citée dans leur article montre que les grosses gouttelettes expulsées des éternuements peuvent parcourir 20 pieds ou plus, donc 6 pieds pourraient ne pas être suffisants pour éliminer le risque de transmission. Selon l'équipe, d'autres problèmes qui justifient une analyse plus approfondie sont l'évaporation et l'inhalation des gouttelettes, comment les gouttelettes se comportent dans les environnements intérieurs par rapport aux environnements extérieurs, et comment la température et l'humidité affectent les taux de transmission.

Solutions de simulation

Les stratégies de confinement pour COVID-19 sont basées sur ce que les décideurs politiques pensent savoir de la physique des flux. Mais Mittal et Ni avertissent qu'une grande partie de cela est basée sur des informations obsolètes.

"Nous plaidons pour une meilleure quantification, pour vraiment mettre des chiffres derrière ces idées, " dit Mittal. " Une partie de ce que nous faisons maintenant pour lutter contre le COVID-19 en 2020 est basée sur la science d'articles publiés dans les années 1930. Nous avons tellement appris depuis, mais la politique doit rattraper son retard."

Par exemple, même des mois après la pandémie, de nombreuses questions entourent encore l'utilisation des masques faciaux. Les masques faciaux sont souvent conçus pour protéger la personne qui porte le masque - pensez à un ouvrier du bâtiment essayant d'éviter d'inhaler de la poussière dangereuse, par exemple. Mais les masques faciaux pour lutter contre la transmission du COVID-19 devraient offrir une protection à la fois vers l'intérieur et vers l'extérieur, protéger les autres autant qu'il protège le porteur.

Les scientifiques peuvent mieux comprendre comment améliorer la protection extérieure en simulant les fuites de flux causées par les espaces autour du nez et de la bouche, dit Jung-Hee Seo, professeur agrégé de recherche en génie mécanique. Il travaille avec Mittal et Koroush Shoele de la Florida State University sur des simulations de pointe pour analyser le flux d'air et la dispersion des gouttelettes dans les masques faciaux. Leurs simulations prennent en compte différentes formes de visages et structures de masques, leur permettant d'évaluer l'efficacité de divers modèles de masques.

L'étude n'en est qu'à ses débuts, mais finalement, ces simulations pourraient éclairer de meilleures conceptions de masques faciaux, surtout pour ces masques de couture à la maison, ajoute Mittal.

"Si quelqu'un fabrique un masque facial à la maison, pouvons-nous leur dire une étape simple pour améliorer le masque facial à ce qu'il est censé faire ?", demande-t-il.

La dynamique des fluides en action

Comme tant de scientifiques, de décideurs et du public, d'ailleurs, l'équipe pense déjà à un moment où la vie reviendra à un certain sens de la normalité. Ils se demandent :comment cela peut-il être fait tout en minimisant les nouvelles transmissions ?

Les décisions de réouverture bénéficieront de nouvelles découvertes sur la physique des flux de transmission du COVID-19, disent les chercheurs. "Pensez aux étudiants qui retournent sur un campus universitaire. Si nous en savons plus sur l'aérodynamique du mouvement des gouttelettes, nous pourrions potentiellement reconcevoir les systèmes CVC pour réduire la dispersion des gouttelettes dans un dortoir, par exemple, " dit Ni. " La même idée pourrait fonctionner avec les maisons de retraite. Si nous portons tous des masques, Comment cela affecte-t-il la pratique de la distanciation sociale? Si nous mettons plus de science derrière cette ligne de pensée, nous pouvons ouvrir le pays d'une manière plus sûre."

Le nouveau coronavirus est un défi évolutif et complexe, et les chercheurs de chaque discipline ne peuvent aborder qu'un petit aspect de la crise. Toujours, Mittal voit une formidable opportunité pour les acteurs du domaine de la dynamique des fluides de contribuer à une solution.

« C'est au cœur de notre domaine d'expertise, ", dit-il. "Nous pouvons fournir des informations et des outils qui garantiront que nous sommes mieux préparés pour faire face à la prochaine épidémie de COVID-19 ou d'une maladie similaire."