Aerosolen auf der Spur

Deshalb wird im Rahmen des Forschungsvorhabens AVATOR (Anti-Virus-Aerosol: Testing, Operation, Reduction) untersucht, wie die Infektionsgefahr durch Aerosol-getragene Viren in geschlossenen Räumen vermindert werden kann. Neben der Simulation der Aerosolausbreitung hat das Projekt auch die Entwicklung von Luftreinigungstechnologien zum Ziel. Diese werden in Labor- beziehungsweise Realmaßstäben validiert und sollen bisherige Luftreinigungstechnologien ergänzen und optimieren. Darauf aufbauend sollen Hygienekonzepte für unterschiedliche Anwendungsfälle abgeleitet werden.

Die Ergebnisse des Projekts kommen allen Betreibenden von Innenräumen zugute – insbesondere sollen Transportmittel wie Flugzeuge oder Züge sowie Produktionsstätten und Versammlungsräume, aber auch Klassenzimmer oder Großraumbüros adressiert werden.

Beitrag des Fraunhofer EMI in AVATOR

Im Rahmen von AVATOR befasst sich das Fraunhofer EMI mit der Modellierung und Simulation der Aerosolausbreitung. Dazu ist die genaue Betrachtung von zwei Aspekten wichtig: die Beschreibung der Aerosolquelle sowie die Ausbreitung des Aerosols im Innenraum.

Bei verschiedenen Aktivitäten wie Sprechen, Husten, Singen oder einfachem ruhigem Atmen werden (gegebenenfalls virenbelade) Aerosolpartikel mit der ausgestoßenen Atemluft freigesetzt. Sowohl die Anzahl als auch die Größenverteilung dieser Partikel hängen dabei nicht nur stark von der konkreten Tätigkeit ab, sondern auch von der Person, die die Tätigkeit ausübt. So gibt es Personen, sogenannte Superspreader, die deutlich mehr Aerosolpartikel ausatmen als andere [2]. Größere Partikel (Tröpfchen) können keine weiten Distanzen überbrücken, da sie recht schnell absinken und sich auf dem Boden oder auf Oberflächen abscheiden. Kleinere Partikel hingegen können über größere Distanzen durch die Luft getragen werden. Sie folgen dabei quasi unmittelbar der vorherrschenden Luftströmung und verteilen sich auf diese Weise im gesamten Innenraum. Bei unzureichendem Luftaustausch können sie lange in Innenräumen verweilen und von anderen Personen eingeatmet werden. Zur Simulation der Aerosolverteilung ist daher – neben der Beschreibung der Aerosolquelle – die Kenntnis der Strömungsverhältnisse in einem Raum von entscheidender Bedeutung.

Um zunächst die Strömungsverhältnisse im unmittelbaren Kopfbereich bei den oben genannten Tätigkeiten experimentell zu erfassen (Aerosolquelle) und sichtbar zu machen, werden am EMI die Laserlichtschnitt-Technik und die Farbschlieren-Technik eingesetzt.

Die Laserlichtschnitt-Technik basiert darauf, die Strömung sichtbar zu machen, indem Tracerpartikel in die Strömung eingebracht werden, welche dann in einer Ebene mittels eines Laserlichtschnitts beleuchtet werden. Das an den Aerosolpartikeln gestreute Laserlicht wird dann mit einer Hochgeschwindigkeitskamera erfasst. Durch die Verschiebung der Aerosolpartikel in zwei aufeinander folgenden Bildern wird die Strömung sichtbar und quantifizierbar. Als Tracerpartikel wurde der zuvor eingeatmete Dampf einer E-Zigarette verwendet.

In Abbildung 1 ist links der Versuchsaufbau skizziert. Der Laserlichtschnitt wird mit einer justierbaren Lichtschnittoptik erzeugt, indem ein im Querschnitt zunächst punktförmiger Laserstrahl in einer Richtung aufgeweitet und so ein Lichtfächer erzeugt wird. Über einen Spiegel wird dieser Lichtschnitt von unten kommend vor dem Gesicht der Probandin oder des Probanden platziert und erzeugt so die Messebene, in der die Partikel beleuchtet und damit sichtbar werden.

In den rechten Abbildungen sind Momentaufnahmen der so sichtbar gewordenen Strömungsstruktur von Ausatemvorgängen durch Mund und Nase dargestellt.

Die Farbschlieren-Technik nutzt zur Visualisierung der Strömung die unterschiedliche Dichte der Luft, die insbesondere auf Temperaturunterschiede zwischen ausgeatmeter Luft und Umgebungsluft zurückzuführen ist. Die Dichteunterschiede führen dazu, dass Lichtstrahlen in diesen Bereichen abgelenkt werden und sich nicht geradlinig durch die Luft ausbreiten. Diese Ablenkung macht man sich in einem speziellen optischen Aufbau zunutze, um Farbschlierenaufnahmen zu erzeugen. 

Beide Verfahren ermöglichen es, die unterschiedlichen Strömungsverhältnisse sicht- und messbar zu machen und beispielsweise die unterschiedliche Wirkungsweise verschiedener Maskentypen zu vergleichen. Die Videos 1, 2 und 3 zeigen Husten (V1), Atmen durch die Nase (V2) und Atmen durch den Mund (V3) jeweils ohne Maske, mit einer medizinischen Maske und mit einer FFP2-Maske. Diese Videos wurden mit der Farbschlieren-Technik aufgenommen und zeigen sehr eindrücklich, dass die Strömungsverhältnisse nicht nur von der Tätigkeit abhängen, sondern auch davon, ob und welche Art von Maske getragen wird. 

Die mit diesen Verfahren gewonnenen Daten werden dann genutzt, um die Aerosolquelle strömungsseitig in die numerische Simulation mittels detaillierter CFD-Modelle (CFD – computational fluid dynamics) einzubinden.

In Abbildung 2 ist der Anteil der durch den Mund beziehungsweise durch die Nase ausgeatmeten Luft dargestellt. Die dargestellten Schnittebenen sind identisch zu denen in Abbildung 1. Im Gegensatz zu beiden Messtechniken beschreibt die Simulation die Strömung nicht nur in einer Ebene, sondern im gesamten Raum um den Kopf. Damit können die Bereiche, in denen sich ausgeatmete Aerosolpartikel befinden, identifiziert werden.

Von diesen Detailmodellen werden Beschreibungen der ausgeatmeten Aerosole abgeleitet und in vereinfachter Weise in Simulationsmodelle des gesamten Innenraums eingebracht. Ziel dieser Modelle ist es, die Aerosolausbreitung in Innenräumen über einen längeren Zeitraum (zum Beispiel einer Stunde) zu simulieren und Bereiche hoher Aerosolkonzentration (das heißt erhöhten Infektionsrisikos bei virenbeladenen Aerosolpartikeln) zu identifizieren. Auf diese Weise können systematisch die Effektivität von freier Lüftung, Raumluftreinigern und weiterer Hygienemaßnahmen untersucht werden. Die Simulationen können dazu dienen, Hygienekonzepte – wie etwa regelmäßiges Lüften oder der Einsatz eines Raumluftreinigers – zu bewerten, miteinander zu vergleichen und gegebenenfalls zu optimieren.

Als konkretes Beispiel eines Innenraums wird am EMI aktuell ein Klassenraum betrachtet und hierbei ermittelt, wie sich die Aerosolkonzentration über die Dauer einer gesamten Unterrichtsstunde für unterschiedliche Szenarien, zum Beispiel bei reiner Fensterlüftung, entwickelt. Für die Raumluftströmung im Klassenzimmer sind dabei typischerweise Wärmequellen wie die Heizung und die Schülerinnen und Schüler beziehungsweise Lehrkräfte sowie die freie Lüftung bestimmend, sofern – wie in vielen Bestandsgebäuden der Fall – keine Raumlufttechnik vorhanden ist. Als Beispiel zeigt Abbildung 3 einen vereinfachten Klassenraum mit einem möglichen Szenario für die Anreicherung der Luft mit virenbeladenen Aerosolpartikeln.

Referenzen:

[1] Tang, Julian W., et al. “Dismantling myths on the airborne transmission of severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV-2).” Journal of Hospital Infection (2021).

[2] Edwards, David A., et al. “Exhaled aerosol increases with COVID-19 infection, age, and obesity.” Proceedings of the National Academy of Sciences 118.8 (2021). https://doi.org/10.1073/pnas.2021830118

Projektpartner

Das Projektkonsortium bestehend aus den Fraunhofer-Instituten:

• Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP
• Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI
• Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM
• Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT
• Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
• Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP
• Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM
• Fraunhofer-Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin ITEM
• Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF
• Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM
• Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD
• Fraunhofer Singapore
• Fraunhofer Austria
• Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM
• Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB