Met hoeveel mensen en voor hoelang is het veilig om in een restaurant, theater, treincoupé of een andere ruimte samen te zijn zonder besmet te worden met het coronavirus? De Delftse aerodynamica-hoogleraar Fulvio Scarano werkt voor het eerst samen met stromingsleer-deskundige Lorenzo Botto en simulatie-expert Wouter van den Bos om de daadwerkelijke besmettingsrisico’s te berekenen. Het is nu wel bekend dat het risico een stuk hoger wordt als een persoon met corona lang in een ruimte verblijft, een grote longinhoud heeft en hoest of niest zonder zijn elleboog ervoor te houden, maar hoeveel hoger dan precies?

Door corona leven we in een anderhalve meter samenleving. Mensen moeten anderhalve meter afstand van elkaar houden, om elkaar niet te besmetten met het coronavirus, zo luidt het dringende advies van de Nederlandse overheid. “We gaan er nu van uit dat mensen alleen worden besmet door grote druppels die vrijkomen als iemand niest, hoest of snottert. Maar we weten nog te weinig over de besmettelijkheid van kleine druppels of al verdampte druppels, zoals de adem die je uitblaast. Daarom kunnen wetenschappers nog geen beter advies geven over de afstand die ze moeten houden of de maximale tijd om samen in een ruimte te verblijven”, zegt Fulvio Scarano, hoogleraar aerodynamica en tevens afdelingsvoorzitter bij de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek.

Van links naar rechts: Wouter van den Bos, Fulvio Scarano, Lorenzo Botto en David Faleiros

Gevoel van verantwoordelijkheid

Hij verwacht dat daar snel verandering in komt. Aan het begin van de pandemie kreeg hij ineens een e-mail van Wouter van den Bos, die hij nog niet kende, om samen met Lorenzo Botto van de faculteit 3mE de werkelijke besmettingsrisico’s van corona te modelleren. Botto, die zich bezig houdt met de verspreiding van druppels in lucht- en vloeistofstromen, zegt: “Voor het eerst in m’n leven dacht ik: ik moet iets doen, want anders voel ik me onverantwoordelijk”. Scarano bevestigt: “Dit onderzoek is gedreven door ons gezamenlijk gevoel van verantwoordelijkheid, niet door onze nieuwsgierigheid”.

Binnen een half jaar

Waar wetenschappers normaal gesproken twee tot drie jaar over een onderzoek doen, willen ze nu binnen een half jaar een berekeningsmodel gereed hebben dat ook nog eens makkelijk gebruikt kan worden. “Het einddoel van het model is om het risico op een virusinfectie in te kunnen schatten voor een specifieke locatie”, zegt Van den Bos. “In plaats van een groot en ambitieus CFD (Computational Fluid Dynamics, ofwel door een computer berekende stromingen) project op te zetten, was onze strategie om een toevoeging voor al bestaande CFD-software te maken. Dit programma gebruiken CFD-engineers om de luchtstromen in een ruimte met deuren, ramen en ventilatie te simuleren. Ons model is een plugin die virtueel een ziek persoon in die ruimte plaatst en simuleert hoe snel de virusdeeltjes van die persoon zich verspreiden. Die snelheid neemt toe naarmate zo iemand langer is, een grotere longinhoud heeft en harder niest of hoest”. Omdat uit eerder onderzoek al bekend is hoeveel druppels vrijkomen wanneer iemand praat, hoest of zingt, hoe groot die druppels zijn en hoe snel ze verdampen, kan de toevoeging aan de software zo snel klaar zijn.

Besmettingsrisico voorspellen

Als alle bestaande gegevens aan de software zijn toegevoegd, kunnen de onderzoekers vervolgens gaan voorspellen wat het besmettingsrisico zal zijn. “Dan kun je op je computer, dus op een veilige manier, uitproberen wat er gebeurt als je bijvoorbeeld honderd studenten gedurende anderhalf uur bij elkaar zet in een collegezaal en er één van hen corona heeft. Dat is beter dan achteraf analyseren waarom er zoveel mensen geïnfecteerd werden bij een bepaald evenement”, zegt Van den Bos, die al zijn hele carrière simulatiemodellen maakt om de werkelijkheid na te bootsen. “Als de app klaar is, dan hopen we dat een groot aantal onderzoekers, ontwerpers en ingenieurs deze zal gebruiken om voorspellingen te doen. Is dit vliegtuig, deze bus of dit restaurant veilig of niet?” 

Zichtbaar wat onzichtbaar is

Maar hoe weet je zeker dat zo’n simulatie ook realistisch is? “Ik heb simulaties gezien van de manier waarop druppels zich verspreiden, maar die waren niet realistisch. Om te beginnen verspreiden druppels zich niet in een rechte lijn, bovendien verandert de grootte van de druppels en soms zweven ze wel acht in plaats van anderhalve meter door de lucht”, zegt David Faleiros, die als post-doc is aangenomen voor dit onderzoek vanwege zijn ervaring met het meten en visualiseren van aerodynamische stromingen. Om zeker te weten of de simulaties kloppen met de praktijk, valideert het team ze door middel van kwantitatieve visualisatie-experimenten. 

“Ik maak zichtbaar wat onzichtbaar is”, zegt Scarano, die zich normaal gesproken vooral bezig houdt met luchtstromen rondom nieuwe vliegtuigontwerpen. Hij staat op van z’n stoel, hoest en laat vervolgens op zijn computerscherm zien hoe de druppels van zijn gekuch zich verspreiden. “Ik vergelijk vervolgens of dit klopt met onze simulaties. Deze cross-check is cruciaal om te verifiëren of de simulatie alle aspecten van de werkelijkheid meeneemt. Daarnaast is het belangrijk om zowel het publiek als het RIVM te overtuigen dat de resultaten realistisch en wetenschappelijk verantwoord zijn.  

Ik maak zichtbaar wat onzichtbaar is

Prof.dr. F. Scarano

Nóg nauwkeuriger

Door de experimenten zal onder meer duidelijk worden hoe de (verdampte) druppels rondom een echt (nog niet geïnfecteerd) persoon zich verspreiden in de tijd, of het besmettingsgevaar buiten veel lager is dan binnen en of het niet gevaarlijk is om met dertig mensen twee uur lang in een bioscoopzaal te zitten. “Met het model kunnen we vervolgens simuleren waar en welke ventilatiemaatregelen effectiever zijn om het infectierisico in die specifieke ruimte zo laag mogelijk te houden”, zegt Van den Bos.

Toch zullen er nog vragen over het Covid-19 virus onbeantwoord blijven. Zoals: Hoe lang blijft het virus in leven? Hoeveel virusdeeltjes komen precies vrij als je ademt, zingt of hoest? “Het idee is dat we deze informatie later nog toe kunnen voegen om ons model dan nóg nauwkeuriger het risico op besmetting te laten voorspellen”, zegt Van den Bos. “Hoe meer we weten over het coronavirus, hoe nauwkeuriger onze berekeningen en hoe verantwoorder we met elkaar om kunnen gaan”. De onderzoekers verwachten dat de eerste versie eind dit jaar klaar zal zijn voor gebruik. Scarano besluit: “Hopelijk kunnen we dan allemaal nóg veiliger samen zijn met het virus, zowel in de trein, in scholen, supermarkten, musea, theaters, bioscopen, restaurants en niet te vergeten: op kantoor!”

/* */