Физика распространения частиц может помочь снизить воздушное распространение вируса COVID-19

Ученые Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL) используют свой обширный опыт изучения движения воздушных угроз, чтобы лучше понять перемещение вирусоподобных частиц по воздуху и определить эффективные меры противодействия.

Исследователи LLNL недавно опубликовали обзор в журнале Applied and Environmental Microbiology, в котором подчеркиваются хорошо известные случаи, когда воздушно-капельные вирусы, бактерии и грибковые патогены вызывали заболевания у растений, животных и людей на дистанциях от нескольких метров до континентальных масштабов.

По словам атмосферного ученого LLNL Майкла Диллона, возглавляющего работу команды: «Понимая передачу болезней воздушно-капельным путем, мы надеемся предложить научно обоснованную информацию, которую люди смогут использовать для защиты себя и других».

Команда LLNL изучает физику дисперсии частиц, анализируя, как частицы перемещаются внутри зданий и преодолевают расстояния, которые могут превышать шесть футов (~1.8 м). Они также исследуют ключевые факторы, которые могут влиять на движение частиц в широком спектре условий, включая школы, офисы, магазины, рестораны и дома.

Основываясь на прошлых исследованиях LLNL по угрозам, передающимся по воздуху (включая изучение радиологических и химических опасностей, дыма от лесных пожаров и биологических угроз), исследователи предполагают, что правильное использование систем фильтрации воздуха может снизить воздействие частиц COVID в помещении. «Мы моделируем, как коммерчески доступные технологии — такие как системы отопления и охлаждения, вытяжные вентиляторы и портативные очистители воздуха — могут влиять на картину воздействия и помогать снижать распространение болезни», — говорит Диллон.

Еще один ключевой аспект их исследования включает валидацию моделей передачи и защитных мер с помощью экспериментальной работы, с использованием технологии, разработанной в LLNL для понимания аэрозольного транспорта биологических угроз. Этот диагностический инструмент, известный как DNA-меченые реагенты для аэрозольных экспериментов (DNATrax), состоит из сахарных частиц, помеченных небиологическим DNA-штрихкодом для уникального обнаружения. Частицы DNATrax можно использовать в качестве безвредного суррогата, имитирующего движение патогенов в воздухе.

В прошлых экспериментах ученые проводили крупномасштабные полевые исследования с использованием DNATrax, выпуская сахарные частицы внутри правительственных зданий и систем метро. Во время этих полевых испытаний ученые измеряли, как далеко сахарные частицы переносились воздушными потоками, и определяли области, где частицы скапливались в закрытых пространствах.

Под руководством химика-инженера Элизабет Уилер и физика Маттиаса Франка команда LLNL сотрудничает с другими национальными лабораториями Министерства энергетики США (DOE) для разработки и проведения экспериментов с использованием частиц DNATrax для дальнейшей оценки воздушного движения этих сахарных частиц. Ученые LLNL будут использовать существующие протоколы лаборатории для разработки и производства уникально меченых сахарных частиц, а ученые из четырех национальных лабораторий будут измерять движение DNATrax в лабораторных испытательных камерах, а также в реальных условиях, таких как классы и офисы.

В отличие от многих других трассеров, DNATrax позволяет ученым изучать движение низких концентраций этих сахарных частиц, что может пролить свет на степень распространения инфекционного заболевания. Это преимущество позволяет команде изучать повторное взвешивание частиц DNATrax с поверхностей как способ моделирования передачи болезни в помещении. Такие эксперименты можно использовать, чтобы определить, может ли движение людей поднимать частицы, изначально осевшие в комнате, или могут ли частицы перемещаться между комнатами на одежде людей.

Это многолабораторное исследование воздушно-капельной передачи COVID является частью более широких усилий, координируемых Национальной виртуальной биотехнологической лабораторией (NVBL) DOE — консорциумом национальных лабораторий DOE, сосредоточенных на реагировании на COVID-19, с финансированием в соответствии с Законом CARES о коронавирусе.

По словам исполняющего обязанности руководителя Отдела атмосферных, земных и энергетических наук LLNL Рика Райерсона: «Хотя экспериментально подтвержденные модели, разработанные в ходе исследований команды, могут быть немедленно применены к текущей пандемии, они также послужат ресурсом для будущих вспышек заболеваний, умножая их влияние».