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Architektur-Ingenieur zur Untersuchung der COVID-19-Aerosol-Übertragung

UNIVERSITY PARK, PA. - SARS-CoV‑2, das Virus, das COVID-19 ver­ur­sacht, scheint nicht so schnell zu ver­schwin­den. Jetzt kann die Erfor­schung mecha­ni­scher Sys­te­me in Gebäu­den hel­fen, die Aus­brei­tung der Krank­heit in Innen­räu­men bes­ser zu verstehen.

Dong­hyun Rim, außer­or­dent­li­cher Pro­fes­sor für Archi­tek­tu­r­in­ge­nieur­we­sen am Penn Sta­te, lei­tet eine ein­jäh­ri­ge COVID-19-Stu­­die des Rapid Respon­se Rese­arch Pro­gram, dotiert mit 108.000 US Dol­lar, die von der Natio­nal Sci­ence Foun­da­ti­on finan­ziert wird um zu ver­ste­hen, wie das Virus in Innen­räu­men über­tra­gen wird.

«Wir wol­len die Über­tra­gung in der Luft bes­ser ver­ste­hen», sag­te Rim. «Vie­le frü­he­re Stu­di­en zei­gen, dass die Krank­heit durch engen per­sön­li­chen Kon­takt über­tra­gen wird, dass die meis­ten Par­ti­kel aus dem Spre­chen und Atmen des Men­schen stam­men und dass vira­le Par­ti­kel in der Raum­luft rela­tiv lan­ge über­le­ben können.»

Laut Rim kön­nen Viruspar­ti­kel bis zu 90 Minu­ten in der Luft über­le­ben, was mit der Ver­weil­zeit der Innen­luft für vie­le Gebäu­de wie Restau­rants oder Büros mit vor­han­de­nen Lüf­tungs­sys­te­men ver­gleich­bar ist. Die Stu­die wird die Kon­zen­tra­ti­on von Viruspar­ti­keln um mensch­li­che Atem­zo­nen im Ver­gleich zu einer durch­schnitt­li­chen Kon­zen­tra­ti­on in der Umge­bung untersuchen.

Rim wird Com­pu­ter­si­mu­la­tio­nen ver­wen­den, um Daten­ein­ga­ben aus ähn­li­chen Stu­di­en zur Mes­sung der Raum­luft anzu­wen­den, in denen die räum­li­che Ver­tei­lung von Viruspar­ti­keln auf­grund von mensch­li­chen Gesprä­chen, Hus­ten oder Atmung unter­sucht wird.

«Unser Ziel ist es zu unter­su­chen, wie die vira­len Aero­so­le unter ver­schie­de­nen Umge­bungs­be­din­gun­gen in Innen­räu­men in die mensch­li­che Atem­zo­ne trans­por­tiert wer­den», sag­te Rim. «Und wei­ter, um die Wahr­schein­lich­keit zu bestim­men, dass ein ande­rer Raum­be­woh­ner die Viruspar­ti­kel einatmet.»

Es wer­den ver­schie­de­ne Varia­blen getes­tet, wel­che die Par­ti­kel­über­tra­gung beein­flus­sen kön­nen, ein­schließ­lich des Raum­luft­stroms. Lüf­tungs­mo­di, die Grö­ße des Rau­mes, die Ver­wen­dung per­sön­li­cher Schutz­aus­rüs­tung, Pro­to­kol­le zur sozia­len Distan­zie­rung, Anzahl und Dich­te der Raum­be­nut­zer und ver­schie­de­ne Emis­si­ons­mo­di wie Atmen, Spre­chen, Sin­gen und Husten.
Anhand der gesam­mel­ten Daten bestimmt Rim, wel­che Varia­blen Schlüs­sel­pa­ra­me­ter für die Prä­ven­ti­on von Krank­hei­ten im Innen­raum sind. Die­se Infor­ma­tio­nen hel­fen dabei, über die Richt­li­ni­en und Stan­dards zu infor­mie­ren, die Inge­nieu­re bei der Pla­nung von Gebäu­den und ihren Sys­te­men ver­wen­den, sowie poli­ti­sche Ent­schei­dungs­trä­ger und medi­zi­ni­sches Per­so­nal bei der Bewer­tung von Räu­men für eine siche­re Bele­gung von Gebäuden.

Vor­läu­fi­ge Ergeb­nis­se der Stu­die zei­gen, dass die Belüf­tung oder der kon­ti­nu­ier­li­che Außen­luft­strom in einen Raum die wich­tigs­te Varia­ble bei der Beur­tei­lung der Virus­über­tra­gung in Innen­räu­men ist. Zum Bei­spiel kön­nen Chor­prak­ti­ken auf­grund hoher Virus­emis­sio­nen in schlecht belüf­te­ten Räu­men zu über­grei­fen­den Ereig­nis­sen wer­den – selbst wenn die sozia­le Distanz gewahrt bleibt –, so Rim.

«Unse­re Ergeb­nis­se zei­gen, dass Lüf­tungs­me­tho­den in Gebäu­den sehr wich­tig sind und sogar noch wich­ti­ger sein kön­nen als die Wah­rung der sozia­len Distanz», sag­te Rim.

Sez Atamt­urk­tur, Har­ry und Arle­ne Schell Pro­fes­sor und Lei­ter der Abtei­lung für Archi­tek­tu­r­in­ge­nieur­we­sen, lob­ten Rim für sei­ne For­schung, die das Poten­zi­al hat, die Über­tra­gung von Viren in Innen­räu­men einzudämmen.

«Dong­hyuns recht­zei­ti­ge For­schung wird Inge­nieu­ren und ande­ren Inter­es­sen­grup­pen hel­fen, künf­tig Ent­schei­dun­gen bei der Pla­nung von Geschäfts­ge­bäu­den zu tref­fen, dar­un­ter Kran­ken­häu­ser, Büro­räu­me, Restau­rants und mehr», sag­te sie.

Kurz­fas­sung For­schungs­auf­trag der «Natio­nal Sci­ence Foundation»
Coro­na­vi­rus – Ver­ständ­nis der Aero­sol­über­tra­gung und mög­li­cher Kon­troll­maß­nah­men in Innenräumen

COVID-19 ist eine welt­wei­te Pan­de­mie, die durch das Coro­no­vi­rus SARS-CoV2 ver­ur­sacht wird. Es wird berich­tet, dass COVID-19 durch direk­te Ober­flä­chen­ex­po­si­ti­on und durch engen per­sön­li­chen Kon­takt in kur­zer Ent­fer­nung über­tra­gen wird. Jüngs­te Stu­di­en zei­gen, dass das Virus in klei­nen Par­ti­keln in der Luft (weni­ger als 5 Mikro­me­ter) stun­den­lang über­le­ben und sich in Innen­räu­men ansam­meln kann. Die­ses Ergeb­nis deu­tet auf eine star­ke Mög­lich­keit der Über­tra­gung von COVID-19 in der Luft in besetz­ten Räu­men hin. Der­zeit feh­len jedoch wis­sen­schaft­lich fun­dier­te Infor­ma­tio­nen dar­über, wie sich die virus­be­la­de­nen Par­ti­kel in Innen­räu­men ver­tei­len. Die­ser RAPID-Vor­­­schlag ent­spricht der drin­gen­den Not­wen­dig­keit, die Luft­über­tra­gung und mög­li­che SARS-CoV2-Kon­­trol­l­­ma­ß­­nah­­men in Innen­räu­men bes­ser zu ver­ste­hen. Das Ziel die­ses Pro­jekts ist es, die Trans­port­me­cha­nis­men des Trans­ports von Viruspar­ti­keln durch den mensch­li­chen Kör­per zu unter­su­chen und auf­zu­zei­gen, wie die Kon­zen­tra­tio­nen von Viruspar­ti­keln durch Hus­ten und Atmung beim Men­schen sowie die Belüf­tungs­ra­ten und Luft­strö­mungs­mus­ter in Innen­räu­men beein­flusst wer­den. Die­se Infor­ma­tio­nen wer­den ver­wen­det, um die Wirk­sam­keit von Kon­troll­maß­nah­men wie Belüf­tung, Fil­tra­ti­on und Zonen­auf­tei­lung bei der Aero­sol­über­tra­gung in dicht besetz­ten Umge­bun­gen zu bewer­ten. Die Ergeb­nis­se wer­den ver­wen­det, um schutz­be­dürf­ti­ge Bevöl­ke­rungs­grup­pen in kli­ni­schen Umge­bun­gen und Senio­ren­ein­rich­tun­gen zu schüt­zen. Der erfolg­rei­che Abschluss die­ser For­schung wird medi­zi­ni­sche Fach­kräf­te, Wis­sen­schaft­ler, Inge­nieu­re und poli­ti­sche Ent­schei­dungs­trä­ger umfas­sen­der infor­mie­ren, um Ent­schei­dun­gen über die Arten von Beatmungs­stra­te­gien und per­sön­li­cher Schutz­aus­rüs­tung zu tref­fen, die zur Ver­hin­de­rung der Aero­sol­über­tra­gung in Innen­räu­men ver­wen­det wer­den können.

Die COVID-19-Pan­­de­­mie ist ein Gesund­heits­not­fall von glo­ba­lem Aus­maß. Neue wis­sen­schaft­li­che Erkennt­nis­se deu­ten auf ein hohes Poten­zi­al für eine Expo­si­ti­on in der Luft gegen­über SARS-CoV2 (dem für COVID-19 ver­ant­wort­li­chen Virus) als signi­fi­kan­tem Expo­si­ti­ons­weg hin. Es gibt jedoch gro­ße Lücken in unse­rem Ver­ständ­nis, die einen effi­zi­en­ten Ein­satz von Kon­troll­stra­te­gien für Innen­räu­me ver­hin­dern. Das über­ge­ord­ne­te Ziel die­ses For­schungs­pro­jekts besteht dar­in, die­se Wis­sens­lü­cke zu schließen:

(1) Ent­wick­lung eines mecha­nis­ti­schen Ver­ständ­nis­ses des SARS-CoV2-Aero­­­sol­­tran­s­­ports in Innen­räu­men auf­grund von Hus­ten, Spre­chen, nor­ma­ler Atmung und Atmung mit einer Mas­ke unter ver­schie­de­nen Belüf­tungs­ra­ten und Luftmischbedingungen.

(2) Bewer­tung des Infek­ti­ons­ri­si­kos in der Luft unter Ver­wen­dung der Inha­la­ti­ons­auf­nah­me von SARS-CoV2-Aero­­­so­­len, die von einem Infek­tor frei­ge­setzt wer­den, unter der Annah­me von sta­tio­nä­ren, gut gemisch­ten Luft­be­din­gun­gen, und

(3) Bewer­tung der Wirk­sam­keit der Beatmung, Fil­tra­ti­on und Zonen­auf­tei­lung zur Steue­rung der Aero­sol­über­tra­gung in dicht besetz­ten Umgebungen.

Dies wird mit­hil­fe eines mathe­ma­ti­schen Infek­ti­ons­ri­si­ko­mo­dells in Ver­bin­dung mit rech­ner­ge­stütz­ten Simu­la­tio­nen der Flu­id­dy­na­mik des Aero­sol­trans­ports erreicht, um neue Infor­ma­tio­nen bereit­zu­stel­len, die für unser Ver­ständ­nis des Virus­ae­ro­sol­trans­ports und des damit ver­bun­de­nen Infek­ti­ons­ri­si­kos in der Luft in Innen­räu­men von ent­schei­den­der Bedeu­tung sind.
Die Ana­ly­se wird eine kri­ti­sche Infor­ma­ti­ons­lü­cke in unse­rem Ver­ständ­nis der Trans­port­me­cha­nis­men infek­tiö­ser Aero­so­le in der mensch­li­chen Atem­zo­ne schlie­ßen. Zu den zu bewer­ten­den Schlüs­sel­pa­ra­me­tern gehö­ren der Emis­si­ons­mo­dus des Infek­tors (d. h. Hus­ten, Spre­chen, Atmen), die infek­tiö­se Aero­sol­mas­se und der Durch­mes­ser, und die Belüf­tungs­stra­te­gie und die Mischungs­ra­te der Raumluft.

Die­se Aus­zeich­nung spie­gelt die gesetz­li­che Mis­si­on von NSF wider und wur­de durch die Bewer­tung anhand des intel­lek­tu­el­len Werts der Stif­tung und der umfas­sen­de­ren Kri­te­ri­en für die Über­prü­fung der Aus­wir­kun­gen als unter­stüt­zens­wert eingestuft.

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