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Ausbreitung von SARS-CoV-2-Viren durch Aerosole

 

Ausbreitung von SARS-CoV-2-Viren durch Aerosole

In den letzten Monaten ist deutlich geworden, dass die Aufnahme virenbelasteter Aerosole über die Luft eine der wesentlichen Ursachen für Covid-19-Infektionen ist. Anders als die verhältnismäßig großen Tröpfchen (> 5 µm) bei der klassischen Tröpfcheninfektion, die kurz nach dem Ausatmen rasch absinken, bleiben Aerosole (< 5 µm) und mit ihnen das Virus länger in der Luft. Forschungsergebnisse aus jüngerer Zeit legen nahe, dass diese Form der Infektion ein wesentlicher Grund dafür ist, dass sich Menschen in ganz überwiegender Zahl in geschlossenen Räumen anstecken. 

Daher ist es wichtig, möglichst gut zu verstehen, wie sich ansteckende Aerosole ausbreiten und mit welchen Maßnahmen sich Infektionen über die Luft verhindern lassen. Um hier einen Beitrag zu leisten, hat ein Forscherteam der GRS eine Simulationssoftware aus der Kerntechnik genutzt, um die Ausbreitung von Covid-19-Aerosolen in Räumen zu berechnen. Dies ermöglicht, den Einfluss verschiedener Faktoren auf die Aerosolausbreitung in geschlossenen Räumen nachzuvollziehen und die Auswirkung von Maßnahmen wie Lüften oder Masketragen auf das Infektionsrisiko zu bewerten.

COCOSYS: Simulationssoftware zur Ausbreitung von Aerosolen in Kernkraftwerken

Das Programmsystem COCOSYS (Containment Code System) der GRS wird traditionell dazu genutzt, die Ausbreitung von radioaktiven Stoffen in Form von Aerosolen oder Gasen in Kernkraftwerken zu berechnen. Dabei werden neben der komplexen Raumanordnungen, der Aerosoldynamik (z. B. Suspension und Resuspension, Verschmelzung und Zerfall) auch technische Systeme wie Filter-, Be- und Entlüftungsanlagen oder zeitabhängige Öffnungs- und Schließvorgänge an Raumverbindungen (beispielsweise Türen) berücksichtigt. 
COCOSYS wird seit seiner Veröffentlichung 1999 ständig weiterentwickelt, validiert und für neue Fragestellungen eingesetzt. So kommt die Simulationssoftware seit Neuestem auch bei der Berechnung der Radonkonzentration in Gebäuden zum Einsatz. 
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der GRS sind zu dem Ergebnis gekommen, dass sich COCOSYS auch dazu eignet, die Ausbreitung von SARS-CoV-2-Viren durch Aerosole zu berechnen. Neben den zuvor beschriebenen Eigenschaften (komplexe Raumanordnungen, technische und zeitabhängige Besonderheiten) kann das Programm wesentliche Faktoren berücksichtigen, die Einfluss auf das vorhandene Aerosolspektrum haben. Hierzu gehören beispielsweise:
  • Luftfeuchtigkeit 
  • Temperatur 
    • im Innenraum 
    • der bei Lüftung einströmenden Luft 
  • ortabhängige Konzentration (Stadt-, Land- oder Industriestandort) von weiteren Aerosolpartikeln in der Luft (Feinstaub, Ruß etc.) 
  • Veränderungen der Aerosolpartikel.
Vor allem aber ist COCOSYS in der Lage, durch vergleichsweise geringe Rechenzeiten zeitnah Ergebnisse zu liefern. Die Simulationssoftware kann insbesondere die physikalischen Prozesse des Aerosoltransports und des Aerosolpartikelspektrums in komplexen, beliebig vernetzten Raumanordnungen mit vergleichsweise geringem Aufwand berechnen. Damit ist es nach Meinung der Forschenden besser zu Ausbreitungsanalysen von SARS-CoV-2-Aerosolen geeignet als die üblicherweise hierfür genutzten CFD(Computational-Fluid-Dynamics)-Codes. 
In einem ersten Schritt wurde die Anwendbarkeit der Modellansätze für Einzelräume getestet.

Verifizierung am Beispiel einer Apotheke

Hierfür hat das Forscherteam zunächst die wesentlichen Eigenschaften von SARS-CoV-2 zusammengetragen, die für die weitere Beschreibung der Bioaerosol-Freisetzung in COCOSYS-Simulationen relevant sind. Anschließend fütterte es die Software mit den nötigen Eingangsgrößen, um menschliche Atmungs- und Freisetzungsvorgänge berücksichtigen zu können. Zu diesen Eingangsgrößen zählen beispielsweise Atemvolumen und -frequenz, Sauerstoff-Kohlendioxid-Umsatz oder Luftfeuchtigkeit der ausgeatmeten Luft. Um COCOSYS vollständig auf die neue Aufgabe anpassen und einstellen zu können, waren darüber hinaus Ergänzungen zu den charakteristischen Eigenschaften von Bioaerosolen im Allgemeinen und SARS-CoV-2-Aerosolen im Besonderen nötig. 
Als erster Testfall diente eine italienische Apotheke, zu der entsprechende Daten aus der Forschungsliteratur zur Verfügung standen. Für die 75 m3 große Apotheke wurden die potenziellen Infektionsrisiken für zwei Expositionsszenarien (A: vor dem Lockdown, B: nach dem Lockdown) berechnet. Der Unterschied zwischen beiden Szenarien besteht darin, dass nach dem Lockdown die Tür der Apotheke immer geöffnet war, so dass sich eine um ca. Faktor 10 erhöhte Luftaustauschrate ergeben hat. In beiden Szenarien (A, B) betritt eine infizierte Person als erster Kunde die Apotheke und verlässt diese nach zehn Minuten wieder. Während der Aufenthaltszeit werden in das Raumvolumen der Apotheke virenhaltige Bioaerosole eingetragen, die bis zu drei Stunden luftgetragen lebensfähig bleiben. Für ein realistisches Ergebnis wird davon ausgegangen, dass neben der Atmung ein standardisiertes Gespräch stattfindet, da beim Sprechen mehr Aerosole ausgeatmet werden. Durch die Simulation mit COCOSYS lässt sich nicht nur die sich zeitlich verändernde Aerosolkonzentration unter verschiedenen Randbedingungen darstellen, sondern auch das potenzielle Infektionsrisiko bei einem Aufenthalt im Raum. Im Ergebnis wurde gezeigt, dass das Infektionsrisiko im Szenario B um ca. 20 % geringer ist, was sehr gut mit den Daten aus der Literatur übereinstimmt. Damit ist gezeigt, dass COCOSYS in der Lage ist, Infektionsrisiken zu berechnen.

Anwendung am Beispiel eines Pflegeheimzimmers 

In einem zweiten Testfall erstellten sie das Modell eines Patientenzimmers in einem Seniorenheim. Für die Simulation wurde davon ausgegangen, dass in dem möblierten Einzelzimmer mit Badezimmer eine infizierte Person liegt, deren Atmung (und damit einhergehender Aerosolausstoß) anhand der oben beschriebenen Parameter berechnet wurde. Zu dem Ausgangsszenario gehören neben Raumgeometrie, Mobiliar und Aerosolbelastung durch die infizierte Person auch Parameter wie Raumtemperatur, Partikelgrößenspektrum oder relative Luftfeuchte. 
Es folgte eine Vielzahl von Rechnungen, die sich aus tagestypischen Abläufen in einer Pflegeeinrichtung ergeben. Darunter fällt beispielsweise der regelmäßige Besuch des Pflegepersonals: Bereits das Öffnen der Tür hat Auswirkungen auf die Luftwechselrate des Raumes; anschließend wird das Fenster entweder ganz geöffnet oder gekippt. In diese Berechnungen flossen dann noch Parameter wie die außen herrschende Temperatur, Windrichtung und Luftfeuchtigkeit mit ein. Mit den Ergebnissen lassen sich der Einfluss verschiedener Faktoren in geschlossenen Räumen auf die Aerosolausbreitung nachvollziehen. Dazu zählen:
  • mögliche Maßnahmen wie Lüften oder Masketragen auf das Infektionsrisiko 
  • die Ablagerung von Aerosolen auf Oberflächen 
  • Interaktionen zwischen den beteiligten Personen.
Es konnte unter anderem gezeigt werden, dass
  • die CO2-Konzentration ein guter Indikator für die Aerosolkonzentration ist und
  • Alltagsmasken keinen ausreichenden Schutz für das Pflegepersonal darstellen, da sich der Durchmesser der Aerosolpartikel aufgrund von Verdampfung verringert.

Ergebnisse in Form eines Forschungsberichts und einer App 

In einer Folgestudie soll ein Seniorenheim bzw. Krankenhaus dargestellt werden, um infektionsrelevante Prozesse zu ermitteln und Hinweise für optimierte Abläufe bezüglich des Infektionsrisikos in solchen Einrichtungen zu geben. Um präzisere Ergebnisse für verschiedene mögliche Szenarien zu erhalten, soll dabei der Einfluss weiterer Parameter untersucht werden.
Die bisher gewonnenen Ergebnisse werden zeitnah in Form eines Forschungsberichts in der GRS-Publikationsdatenbank veröffentlicht. Außerdem arbeitet ein Entwicklerteam daran, sie anhand einer App nutzbar zu machen, die der Öffentlichkeit kostenfrei zur Verfügung gestellt werden soll. Mit dieser App soll ein besseres Verständnis dafür geschaffen werden, in welchen Situationen und unter welchen Bedingungen es zu einem erhöhten Ansteckungsrisiko kommt und wie dieses durch das eigene Verhalten beeinflusst werden kann.