Infektionswege vorhersagen: GRS-Team berechnet die Ausbreitung von SARS-CoV-2-Aerosolen in Räumen

01.04.2021

© flickr/Rainer

Bei der gegenwärtigen Covid-19-Pandemie gelten virenhaltige, luftgetragene Aerosole als wichtiger Übertragungsweg, insbesondere in unzureichend belüfteten Räumen. Um das diesbezügliche Infektionsrisiko fundiert abschätzen und zielgenaue Handlungsempfehlungen ableiten zu können, müssen das Aerosolverhalten sowie repräsentative Umgebungsbedingungen detailliert und realitätsnah berücksichtigt werden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der GRS haben im Rahmen des Forschungsprojekts AeroCoV das für die Analyse von Stör- und Unfällen in Containments von Kernkraftwerken entwickelte und validierte Simulationsprogramm COCOSYS erstmals für die Berechnung der Ausbreitung von SARS-CoV-2-Aerosolen angewendet. Der zugehörige Forschungsbericht wurde jetzt veröffentlicht

3D-Visualisierung des PatientenzimmersUm belastbare und aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten, haben die Forschenden zwei reale Szenarien innerhalb der Software simuliert: Nachdem sie zunächst die wesentlichen Eigenschaften von SARS-CoV-2 sowie menschlicher Atmungs- und Freisetzungsvorgänge in COCOSYS eingepflegt hatten, berechneten sie in einem ersten Schritt ein Fallbeispiel aus der Forschungsliteratur: Der Vergleich der Ergebnisse zeigt, dass der zeitliche Verlauf des Infektionsrisikos in einer italienischen Apotheke unter unterschiedlichen Bedingungen (vor und nach dem Lockdown) gut wiedergegeben werden kann. 

In einem nächsten Schritt wurde das potenzielle Infektionsrisiko in einem umfassenden Anwendungsfall in einem Zimmer einer Kranken- und Pflegeeinrichtung berechnet. Das Zimmer wurde dazu in COCOSYS virtuell abgebildet. Das Forscherteam ging davon aus, dass eine infizierte Person in dem Zimmer lebt und Arbeitsabläufe stattfinden, wie sie für eine Pflegeeinrichtung typisch sind. 

Infektionsrisiko mit COCOSYS ermittelbar

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler konnten insbesondere das Zusammenwirken mehrerer Faktoren – wie Atmungsaktivität, Speicherung virenhaltiger Aerosole in der Raumluft, räumliche Randbedingungen, veränderliche Temperatur und Luftfeuchte, Einfluss von Luftwechsel und Filtersystemen (Masken) – detailliert und über eine hinreichende Zeitdauer untersuchen. Damit unterscheidet sich der COCOSYS-Ansatz deutlich von vereinfachten analytischen Ansätzen sowie CFD-Berechnungen, auf deren Basis kaum wissenschaftlich begründete Handlungsempfehlungen zur Aerosolausbreitung innerhalb komplexer Raumgeometrien abgeleitet werden können. Aufbauend auf dem AeroCoV-Vorhaben können in nachfolgenden Arbeiten Szenarien mit mehreren Räumen und komplexeren Interaktionen zwischen Personen (einschließlich verschiedener Aktivitäten) untersucht werden. 

Für die Untersuchung der Ausbreitungspfade von Aerosolen in der Raumluft bestehen keine Einschränkungen in Bezug auf den betrachteten Virustyp. Der hier gewählte Ansatz bietet somit die Möglichkeit, die gewonnenen Erkenntnisse auch auf bevorstehende Ausbreitungsverläufe von infektiösen Aerosolen oder Mutationen des SARS-Cov-2-Virus zu übertragen und Handlungsabläufe und Hygienemaßnahmen für die Zukunft zu optimieren.

Ausgehend von den Ergebnissen des Forschungsberichts hat ein Entwicklerteam der GRS zudem eine neue App entwickelt: Mit „Aerosol Control“ können Nutzerinnen und Nutzer ihr Ansteckungsrisiko mit SARS-CoV-2 in einem Raum ermitteln. Wenn man verschiedene Einflussgrößen (Anzahl Personen im Raum, Aufenthaltsdauer, Belüftung etc.) eingibt, lassen sich die Ansteckungsrisiken für verschiedene Szenarien berechnen: ein zweistündiger Flug mit 40 Personen, eine 30-minütige Zugfahrt mit 10 Maske tragenden Mitreisenden im Abteil oder ein dreistündiges Treffen mit einem Freund. Die App wird in Kürze kostenfrei für iOS und Android erhältlich sein.