Sensorik und Expositionsanalysen für Aerosoltransport in dynamischen Situationen (SENSAERO)

Hintergrund:

Aerosolpartikel spielen eine wesentliche Rolle bei der Übertragung von Atemwegsviren wie SARS-CoV-2. Aus diesem Grund sind Masken, Belüftungs- und Luftreinigungsverfahren wirksame Schutzmaßnahmen. Die Untersuchung der Wirksamkeit solcher Maßnahmen erfordert strömungsdynamische Untersuchungen, sei es mit experimentellen oder numerischen Methoden, da die Strömungsverhältnisse weitgehend deren Wirksamkeit beeinflussen. So spielt insbesondere die Strömungsführung in Räumen eine besondere Rolle. Bei geringer Luftzirkulation etwa kann der Luftaustausch sehr langsam erfolgen und bei mobilen Luftreinigern ist die Aufstellung im Raum, die Geräuschentwicklung und der Strömungsfluss um Hindernisse wie Möbel, Lampen etc. wichtig.

Zielstellung:

Die Untersuchung der Strömungsverhältnisse kann sowohl numerisch als auch durch Experimente erfolgen. Die Projektpartner führen insbesondere experimentelle Studien mit Lagrange'scher Partikelverfolgung zur Aerosoldispersion in Räumen durch und haben umfangreiche Kenntnisse in experimenteller Strömungsdynamik, optischer Strömungsmessung und Datenanalyse für verschiedene Strömungssituationen wie Grenzschichtströmungen und rotierende Strömungen. Dabei kommen LED-Arrays, Lichtschnitttechniken und dichteneutrale, submillimetergroße, sogenannte heliumgefüllte Seifenblasen (HFSB) zum Einsatz. Mit letzteren werden kleine, der Strömung folgende Aerosolpartikel simuliert, mit denen mittels schneller Kameras und gepulster Beleuchtung eine Lagrange-Verfolgung in großen Volumina möglich ist. Ein Nachteil dieser experimentellen Methodik ist, dass dynamische Situationen mit Menschen nur schwer reproduzierbar sind. Insbesondere das intensive Licht der Aufnahmetechnik stellt eine Gefahr dar. Darüber hinaus ist die Lichtschnitttechnik auf ungehinderte optische Übertragungswege angewiesen. Das dritte Manko ist, dass nicht nur die Verteilung der Aerosolpartikel im Raum, sondern auch die Wahrscheinlichkeit ihrer Inhalation durch den Menschen von Interesse ist. Um experimentelle Untersuchungen mit Probanden durchführen zu können, wird ein tragbarer Sensor entwickelt, der in der Lage ist, helium-gefüllte Mikroseifenblasen als Ersatzpartikel vor den Atemwegsöffnungen von Personen zu detektieren und zu zählen.

Methoden und Ergebnisse:

Grundlage für die durchgeführten Experimente ist ein mobiles Zählgerät für HFSBs. Es ist eine kostengünstige und robuste Sensorlösung, bestehend aus einem Messkopf, der wiederum aus einer LED-Beleuchtung und einer Kamera mit Optik besteht, mit der Bilder der Lichtreflexion der etwa 350 μm großen HFSBs erzeugt werden. Dieser Messkopf ist über eine USB-Verbindung mit einem kleinen Computer verbunden, auf dem eine App läuft, mit deren Hilfe die Submillimeterblasen mittels Bildverarbeitungsmethoden erkannt und gezählt werden. Das System kann von einer Testperson in Form eines Headsets so getragen werden, dass die HFSBs vor Mund und Nase erfasst werden, aber auch passiv in größerer Zahl im Raum verteilt werden. Alle Geräte werden von einem zentralen Computer über WLAN gesteuert, der den Messablauf startet und stoppt sowie die Datenübertragung initiiert.