Die DLR-Institute für Softwaretechnologie, Luft- und Raumfahrtmedizin sowie Aerodynamik und Strömungstechnik untersuchen im Gemeinschaftsprojekt „Aeromask“ die Wirksamkeit von Mund-Nasen-Masken. Die Experimente treffen quantitative Aussagen über den Einfluss von Alltagsmasken auf das Verhalten ausgeatmeter Aerosole und Partikel.
Projektziel
Anders als bei früheren Pandemien stehen heute molekularbiologische Nachweismethoden zur Verfügung, die die Ausbreitung einer Pandemie und den Verursacher, hier das Virus SARS-CoV-2, im Detail verfolgen. Unbekannt ist aber weiterhin, wie sich die vom Menschen ausgeschiedenen Viren genau verteilen. Das Projekt „Aeromask“ untersucht die Ausbreitung von Aerosolen bei Nutzung unterschiedlicher Nasen-Mund-Masken. Es gilt zu klären, wie sich Aerosolpartikel und gesundheitsgefährdende Keime um infizierende Personen legen und sich im Raum verteilen.
Versuchsreihe unter Laborbedingungen
Im Rahmen einer Versuchsreihe unter Laborbedingungen wird der Einfluss von Masken auf die Atemströmung und damit auf die Ausbreitung von Aerosolen in der Umgebung analysiert.
Mit Hilfe modernster Windkanalmesstechnik aus der Luft- und Raumfahrtfahrtforschung wird die Luftströmung beim Atmen in unterschiedlichen Szenarien bei ihrer Passage durch verschiedene Filtermaterialien verfolgt. Techniken der numerischen Strömungssimulation und ‑visualisierung dienen dazu, ihre nachfolgende Ausbreitung zu berechnen und graphisch darzustellen. Das Ergebnis sind präzise Abschätzungen zum Verbleib und der Verteilung von Aerosolpartikeln in der Umgebungsluft.
Masken
Im Fokus des Projekts steht weniger die Filterwirkung von Masken, sondern ihr Einfluss auf die die Aerosole tragende Strömung. Da Masken den Atemdruck nur unwesentlich einschränken dürfen, ist eine große Ähnlichkeit des aerodynamischen Verhaltens zwischen verschiedenen Maskentypen zu erwarten. Deshalb spielt es bei Strömungsuntersuchungen eine untergeordnete Rolle, inwieweit das Elektret (elektrostatisch aufgeladene Zwischenschicht) bei zertifizierten FFP2-Masken noch intakt ist oder eine Maske zusätzlich eine antibakteriell und antiviral wirkende Lage enthält. Anders ist es bei Visiren oder FFP3-Masken mit Ventilen, die die Strömung umlenken, statt sie abzubremsen.
Schwerpunkte der Untersuchungen
Die Laborversuche sowie die Strömungssimulationen finden im Herbst 2020 bis Frühjahr 2021 statt. Dabei geht es um folgende Aspekte:
Auswertung der Resultate
Die erste Phase der Forschungsprojektes wurde im Oktober 2020 abgeschlossen. Hierbei wurde die Strömungsmechanik der Atem- und Raumluft und der Einfluss unterschiedlicher Alltagsmasken untersucht. Die Resultate wurden im Online-Corona-Dossier auf DLR.de veröffentlicht: Wie effektiv sind Alltagsmasken? – Wissenschaftlicher Blick auf eine viel diskutierte Frage
Auf die erste Laborphase des Projektes folgen nun zwei weitere Phasen, um die Aussagen über die Infektiosität und Bewegung der sich im Raum verteilenden Aerosole zu vertiefen. Am Institut für Softwaretechnologie des DLR wird im nächsten Schritt auf Basis der Messdaten eine Simulation und Visualisierung zur Bewegung von Aerosolen und Partikeln im Raum erstellt. Die Eigenschaften von simulierten Bioaerosolen (definierte Mischungen verschiedener Mikroorganismen) und deren Interaktion mit Masken werden vom DLR-Institut für Raumfahrtmedizin in der Arbeitsgruppe Luft- und Raumfahrtmikrobiologie untersucht.
Nach Auswertung der Resultate im Frühjahr 2021 liegen Aussagen darüber vor, inwieweit Atemmasken die Aerosoldichte beziehungsweise ‑geschwindigkeit verringern können und welchen Einfluss die Raumgeometrie und lokale Strömungssituation auf die Reichweite der Aerosole haben. Die Ergebnisse des Projekts geben der Politik und Gesellschaft wichtige Impulse: wie müssen beispielsweise Verkehrs- und Veranstaltungskonzepte angepasst werden, um in Zukunft das Infektionsrisiko bei Pandemien zu reduzieren?
Visualisierungen der Aerodynamik ausgeatmeter Luftströme mit und ohne Stoffmaske
Millionen von kleinen Helium-Luft-gefüllten Blasen werden mittels des DLR-eigenen Particle Tracking- Verfahrens „Shake The Box“ verfolgt. So kann die gesamte Raumluftströmung mit der Dynamik der ein- und ausgeatmeten Luftströme in einer 3D-Rekonstruktion messtechnisch erfasst und visualisiert werden. Abgebildet ist ein 14 cm dicker Schnitt in der y-z-Ebene (von 300 cm). Die Maske bremst den ausgeatmeten Luftstrom, dieser wandert aufgrund der Thermik (Körperwärme) an die Raumdecke und folgt dort dem Strömungsfeld. Ohne Maske bewegt sich der Luftstrom bei Ausatmung direkt nach vorne.
Visualisierung der durch die zyklische Atmung und Thermik verursachten Strömungsstrukturen (mit und ohne Maske) durch Isokonturflächen der Wirbelstärke (Q-Kriterium). Die vertikale Geschwindigkeitskomponente ist farbkodiert (blau abwärts, rot aufwärts).
Projektpartner
Laufzeit