Musizieren und die Strömung von Aerosolen

Die neueste Forschung aus den Labors der Penn-Wissenschaftler Paulo Arratia und Douglas Jerolmack war eine Antwort auf „einen Hilferuf“, sagt Arratia.

Es war 2020 und das Philadelphia Orchestra hatte, wie so viele kulturelle Institutionen, seine Auftritte aufgrund der COVID-19-Pandemie ausgesetzt. Über PJ Brennan, Chief Medical Officer des Gesundheitssystems der Universität von Pennsylvania, suchte das Orchester nach Fachwissen, um zu verstehen, ob seine Musiker wieder in einer sicheren physischen Anordnung spielen könnten, die die Wahrscheinlichkeit minimieren würde, dass sie sich gegenseitig oder ihr Publikum SARS aussetzen -CoV-2.

„Der Orchesterleiter wollte nicht, dass die Musiker weit voneinander entfernt sind; sie mussten nah beieinander stehen, um den besten Klang zu erzeugen“, sagt Arratia von der School of Engineering and Applied Science. „Aber wenn sie mit Plexiglas getrennt werden mussten, war das auch ein Problem.“ Die Musiker berichteten von Problemen, sich gegenseitig zu hören, und von schlechten Sichtverhältnissen mit Plexiglas-Trennwänden. „Die Herausforderung war, wie wir davon wegkommen, bis sie ungehindert, aber dennoch sicher spielen können“, sagt Arratia.

Jetzt in einer Veröffentlichung in Physik der Flüssigkeiten, Arratia, Jerolmack und Kollegen berichten über ihre Ergebnisse, die darauf hindeuten, dass sich die von Musikern produzierten Aerosole innerhalb von etwa zwei Metern auflösen. Die Ergebnisse beeinflussten nicht nur das Arrangement des Philadelphia Orchestra bei der Wiederaufnahme seiner Auftritte im Sommer 2020, sondern legten auch den Grundstein dafür, wie andere Musikgruppen über sicheres Zusammenkommen und Spielen nachdenken könnten.

„Experten wie Paulo und Doug zu haben, die Partikelgröße und Flugbahn sowie Entfernung und Geschwindigkeit messen konnten, war wirklich wertvoll, um Entscheidungen für das Orchester zu treffen“, sagt Brennan, der jetzt im Vorstand des Orchesters tätig ist. „Zu diesen Entscheidungen gehörten der Abstand zwischen den Spielern, die Distanzierung zwischen den Sektionen, die maskiert werden mussten. Als sie diese Informationen zusammen mit den Tests und der Fallverfolgung sammelten, die Penn Medicine durchführte, half es uns, Entscheidungen mit Zuversicht zu treffen.“

Experimenteller Ansatz

Die Forschung drehte sich um die Fragen, wie viele Aerosolpartikel die Musiker erzeugten, wie dicht die Partikel von den Instrumenten emittiert wurden und wie schnell sie durch die Luft reisten.

„Man kann einen großen Luftstrahl austreten lassen, aber wenn die Aerosolkonzentration sehr niedrig ist, spielt das keine Rolle“, sagt Jerolmack von der School of Arts & Sciences. „Oder Sie können viele Aerosole haben, die in einem schmalen Strahl konzentriert werden. Diese Dinge sind wichtig zu verstehen.“

Um Daten zu sammeln, luden die Forscher Orchestermusiker auf den Campus ein und brachten ihre Blasinstrumente mit, darunter Flöten, Tuba, Klarinetten, Trompeten, Oboen und Fagotte.

Um die aus den Instrumenten ausströmenden Aerosole beim Spielen der Musiker sichtbar zu machen und zu verfolgen, betrieben die Forscher einen Luftbefeuchter, der am Schalltrichter der Instrumente Wasserdampftröpfchen ausstieß. Lediglich für den Flötenspieler wurde diese Anordnung verschoben, bei dem der Luftbefeuchter anstelle des Schallbechers in Mundnähe des Musikers platziert wurde, da beim Spielen dieses Instruments Luft über das Mundstück strömt.

Die Forscher richteten dann einen Laserstrahl durch den vom Luftbefeuchter erzeugten „Nebel“, wodurch die Aerosolpartikel beleuchtet und von einer Hochgeschwindigkeitskamera und einem Partikelzähler erfasst wurden.

„Es ist wie an einem regnerischen Tag; man sieht die Wassertropfen, wenn die Sonne durchscheint“, sagt Arratia.

Die Musiker spielten zwei Minuten lang ununterbrochen Tonleitern. Etwas überraschend stellten die Forscher fest, dass die Blasmusiker Aerosole produzierten, die in ihrer Konzentration denen ähnelten, die beim normalen Atmen und Sprechen ausgestoßen werden, mit einem Durchmesser von etwa 0,3 bis 1 Mikrometer.

Partikel dieser Größe, sagen die Forscher, sind klein genug, um weit durch die Luft zu reisen, vorausgesetzt, der Luftstrom ist stark genug, um sie dorthin zu tragen. Daher wurde die Messung ihrer Konzentration und des Flusses wichtig, um das potenzielle Risiko zu verstehen, dass ein Musiker möglicherweise SARS-CoV-2 an eine andere Person weitergibt.

Bei der Bewertung der Strömungsgeschwindigkeit maßen die Forscher Geschwindigkeiten von etwa 0,1 Metern pro Sekunde, um Größenordnungen langsamer als die eines Hustens oder Niesers, der 5 bis 10 Meter pro Sekunde zurücklegen kann. Die Flöte war ein Ausreißer, erreichte aber dennoch nur Strömungsgeschwindigkeiten von etwa 0,7 Metern pro Sekunde.

„Wenn Sie die Strömung beobachten, sehen Sie diese Puffs und Wirbel, und wir wissen, dass sie sich ausbreiten, aber wir wussten nicht, ob es überhaupt etwas Allgemeines zwischen diesen Instrumenten geben würde“, sagt Jerolmack. „Hier haben wir festgestellt, dass wir nur durch die Messung von Durchfluss und Aerosolkonzentration und -anzahl Vorhersagen darüber treffen können, wie weit sich Aerosole bewegen werden.“

Der Fluss der Musik

Basierend auf ihren Beobachtungen lösten sich die von diesen „Mini-Konzerten“ erzeugten Aerosole auf und setzten sich in der Strömung des Hintergrundluftzugs innerhalb von etwa 2 Metern oder 6 Fuß ab – beruhigend ähnlich, sagen die Forscher, was für normal gemessen wurde sprechen oder atmen. Nur die von Flöte und Posaune erzeugten Aerosole gingen über diese Entfernung hinaus, für die Flöte vielleicht, weil die Luft über das Instrument strömt, anstatt dass das Instrument wie eine Maske wirkt, um die Ausbreitung von Aerosolen zu verhindern.

Insgesamt gaben Holzblasinstrumente etwas geringere Aerosolkonzentrationen ab als Blechblasinstrumente, möglicherweise weil die Holzelemente des Instruments einen Teil der Feuchtigkeit absorbierten und die zahlreichen Löcher entlang des Instruments den Fluss einiger Aerosole verringern könnten, spekulieren die Forscher.

Da die Messungen der Forscher nicht mit einer bestimmten Qualität von SARS-CoV-2 in Verbindung gebracht wurden, können sie verwendet werden, um zu extrapolieren, wie die Übertragung anderer Atemwegserreger durch das Musizieren beeinflusst werden könnte.

„Jetzt haben Sie etwas, mit dem Sie für potenzielle zukünftige Probleme arbeiten können, vielleicht einen Grippeausbruch oder ähnliches“, sagt Arratia. „Sie können unsere Erkenntnisse über den Fluss verwenden, Ihre Zahlen zur Infektiosität und Viruslast eingeben und sie anpassen, um das Risiko zu verstehen.

„Das war nicht gerade ein Problem, an dem wir routinemäßig arbeiten, aber wir fühlten uns gezwungen, es anzugehen“, sagt er. „Es hat viel Spaß gemacht, und wir hatten das Glück, an einem Problem zu arbeiten, das in den schwierigen Zeiten der Pandemie einen bedeutenden Unterschied gemacht hat.“