Covid-19’un hastalık saçan damlacıkları ve akışkanlar dinamiği

Catherine Graham

Solunum hastalıklarından korunmaya yönelik toplum sağlığı önerileri, tarihin en öldürücü salgınlarından biri olan 1918 İspanyol Gribinden beri büyük oranda değişmeden kalmıştır. Başka insanlarla aranıza güvenli bir mesafe koyun. Mikropları öldürmek için ellerinizi sık sık su ve sabunla yıkayın. Ağzınızı ve burnunuzu yüz maskesiyle kapatın – hatta bandana gibi moda olanlar bile olabilir. Bu tür tavsiyeler; solunum enfeksiyonlarının enfekte insanların öksürmesi, hapşırması ve soluk alıp vermesiyle dışarı saçılan virüs taşıyan damlacıklar yoluyla yayıldığı kavrayışına dayanmaktadır.

Ancak dünyada 50 milyon insanın ölümüne sebep olan İspanyol gribinin üzerinden yüz yıldan fazla bir süre geçmesine rağmen, nasıl oluyor da bu akışkan damlacıklar hala gizemini koruyor? Whiting Mühendislik Okulunda Makine Mühendisliği ve bilgisayarlı akışkanlar dinamiği uzmanı Prof. Rajat Mittal, solunum hastalıklarının akış fiziğine dair yapılacak ileri araştırmaların, güncel koronavirüs pandemisini kontrol altına almada anahtar rolü oynayacağına inanıyor.

Bu fikir Mittal’ın aklına, maskeli müşterilerle dolu bir markete girdiğinde geldi. Her bilim insanı gibi zihni onu oraya götürdü; yani bilime...

"Bu maskelerin tam olarak ne işe yaradığını ölçmek adına aerodinamik verisi olup olmadığını merak etmeye başladım” diyen Mittal, “Literatüre dalmaya başladıkça, akışkanlar dinamiğinin yollarının bu pandeminin nerdeyse her yönüyle kesiştiği açıklığa kavuştu. Damlacıklar nasıl oluşuyor, başkalarını nasıl enfekte ediyorlar, hastaları tedavi etmek için kullandığımız solunum cihazları, hatta yüz maskesi gibi önleyici önlemler bile—bu problemlerin çoğu nihayetinde akışkanlar mekaniğiyle ilişkili.
Mittal ve arkadaşları, bu alanda yeni bir düşünce ve araştırmanın fitilini ateşlemek adına KOVID-19’un bilinen akışkan dinamiği ve cevaplanması gereken sorulara dair bir değerlendirme derlediler. Bu rapor Akışkan Mekaniği Dergisinde yayınlandı.

Damlacıkların içine doğru…

Solunum enfeksiyonları, havadan aktarımda virüs taşıyan damlacıklar yoluyla veya damlacıkların bulaştığı bir yüzeye temasla kişiden kişiye yayılır. Enfekte kişiler öksürerek ya da hapşırarak damlacık saçarlar – ki bu, (ortamda bulunan) diğerlerinin enfekte olmamak için kendilerini sakınmaları gerektiğinin bariz göstergesidir. Ancak aktarım (bulaşma); esasında öksürme, hapşırma ve soluk alıp verme gibi solunum olayları esnasındaki damlacık sayısı, boyutu ve hızı dahil bir dizi faktöre bağlıdır.

Örneğin, hapşırma görece yüksek bir hızda binlerce büyük damlacık saçarken, öksürme ise 10-100 kat daha küçük damlacıklar üretir. Konuşma ise bariz bir şekilde daha az damlacık saçar, yine de saniyede yaklaşık 50 kadardır ve damlacıklar daha küçüktür. Bu küçük damlacıkların havada askıda kalmaları, daha uzak mesafelere gitmeleri ve solukla içeri alındıklarında enfeksiyon bulaştırmaları daha muhtemeldir. Öte yandan büyük damlacıklar ise yüzeylere bulaştırdıkları enfeksiyonu dokunmayla aktarmaya daha yatkındır.

Araştırma ekibinin makalede dikkat çektiği gibi, damlacıkların nasıl üretildikleri ve taşındıklarına dair pek çok ölçüm çalışması zaten gerçekleştirilmiştir. Bununla birlikte, bu tür ölçümleri yapmanın güçlüğünün yanı sıra, olgunun karmaşık doğası nedeniyle damlacık davranışına dair bir konsensüsün ifade edilmesi zordur.
Daha fazla araştırılması gereken alanlardan biri, solunum ve konuşma gibi normal aktiviteler esnasında küçük damlacıkların oluşumudur. Bu, KOVID-19’un normal olarak soluk alıp veren ve konuşan asemptomatik taşıyıcılar yoluyla nasıl aktarıldığına ışık tutabilir.

Çoklu aşamalı akış uzmanı ve bu araştırmanın yazarlarından Makine Mühendisliği Yardımcı Doç. Dr. Rui Ni, "Virüsün havada taşınan çok küçük damlacıklar yoluyla aktarıldığı bir hipotezdir. Şu an bu küçük damlacıkların virüsü taşımada nasıl işe yaradığını tam olarak bilmiyoruz. Ve şayet biz sosyal mesafe kılavuzunu sadece damlacıkların belli bir mesafeye ulaşabildiği varsayımına dayandırıyorsak, büyük sonuçları var demektir ”

Aslında makalede yer verilen bir araştırma, hapşırma sonrası ortaya saçılan büyük damlacıkların 6,1 metre veya daha fazla gezebildiğini gösteriyor, öyleyse 1,83 metre (6 ft) mesafe aktarım riskini ortadan kaldırmak için yeterli olmayabilir. Araştırma ekibine göre, daha derin analiz gerektiren diğer konular ise damlacık buharlaşması ve solunması, damlacıkların açık alanda ve kapalı alanda nasıl davrandığı, ısı ve nemin aktarım oranlarını nasıl etkilediğidir.

Çözümlerin simülasyonu

Covid-19 kontrol stratejileri, politika belirleyicilerin akışkanlar fiziği hakkında bildiklerini düşündükleri şeylere dayanıyor. Ancak Mittal ve Ni, bunların çoğunun ise miadını doldurmuş bilgilere dayandığına dikkat çekiyor.

"Bu fikirlerin arkasına rakamları koyabilmek için daha iyi niceliklendirme yapmak gerektiğini düşünüyoruz”, diyen Mittal, "Şu an Kovid-19’la savaşmak için yaptığımız şeylerin bir kısmı 1930’larda yayınlanan makalelerin sunduğu bilime dayanıyor. O zamandan bu yana çok şey öğrendik ancak politika belirleyicilerin buna yetişmesi gerekiyor” şeklinde devam etti.

Örneğin, pandeminin başlamasından bu yana aylar geçmesine rağmen, hala yüz maskesi kullanımına ilişkin pek çok sorunun cevaplanması gerekiyor. Yüz maskeleri genelde maske takan insanı korumak için tasarlanmıştır- örneğin, tehlikeli tozları solumaktan kaçınan bir inşaat işçisini düşünün. Ancak Kovid-19 enfeksiyonuyla savaşacak yüz maskeleri hem içerden hem de dışarıdan koruma sağlamalıdır, yani takanı olduğu kadar karşıdakini de korumalıdır.

Makine Mühendisliği Doçenti Jung-Hee Seo, bilim insanlarının burun ve ağızdan kaçakların simülasyonunu yaparak dışarıdan korumanın nasıl geliştirilebileceğini daha iyi anlayabileceklerini söylüyor. Seo, Florida Devlet Üniversitesinden Mittal ve Koroush ile yüz maskelerinde hava akışı ve damlacık saçılmasını analiz edecek son teknoloji simülasyonlar üzerine çalışıyorlar. Simülasyonları, farklı yüz ve maske yapılarını dikkate alarak çeşitli maskelerin etkililiğini değerlendirmelerini sağlıyor.

Araştırma henüz erken aşamasında, ancak nihayet bu simülasyonlar özellikle evde maske dikenler için daha iyi yüz maskesi tasarımları hakkında bilgi veriyor.

"Bir kişi evde yüz maskesi yapıyorsa, o kişiye, görevini daha iyi yerine getiren bir yüz maskesi yapma adımlarını anlatabilir mi” diye soruyor.

Akışkanlar dinamiği devrede

Çoğu bilim insanı ve hatta politika belirleyiciler ve kamuoyu gibi araştırma ekibi de, yaşamın normale döneceği bir ileri zamanı düşünüyor. Yeni bulaşmaları asgari düzeye indirirken bu nasıl gerçekleştirilebilir (normale nasıl dönülebilir), merak ediyorlar.

Araştırmacılar, yeniden açılma kararlarının Kovid-19 bulaşımının akış fiziği üzerine yeni bulgulardan yararlanacağını söylüyor. Üniversite kampüsüne dönen öğrencileri düşünün. Damlacık hareketinin aerodinamiğini daha iyi bilirsek, örneğin, bir öğrenci yurdundaki damlacıkların saçılımını azaltacak HVAC (ısıtma, havalandırma, iklimlendirme) sistemlerini potansiyel olarak yeniden dizayn edebiliriz, diyen Ni, "Aynı fikir kreşlerde de işe yarayabilir. Hepimiz maske takarsak, sosyal mesafe uygulamasını bu nasıl etkiler? Bu düşünüş hattının arkasında daha fazla bilimsel veri koyabilirsek, ülkeyi daha güvenli bir şekilde açabiliriz" şeklinde devam etti.
Yeni koromavirüs sürekli evrilen ve karmaşık bir güçlük ve her disiplinden araştırmacı bu krizin sadece küçük bir yönüne hitap edebiliyor. Yine de, Mittal akışkanlar dinamiği alanında çalışanların çözüme katkı sağlaması için büyük fırsat görüyor:

"Bu, bizim uzmanlık alanımızdaki cephe ve merkez. Bir sonraki Covid-19 salgınına veya benzer hastalıklarla başa çıkabilmek için daha iyi hazırlanmamızı sağlayacak perspektif ve araçlar sağlayabiliriz.”