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Corona-Ansteckungswege untersucht Tröpfcheninfektion oder Transport durch Aerosole – mögliche Verbreitungswege von Corona

| Redakteur: Christian Lüttmann

Beim Niesen werden zahlreiche Tröpfchen in die Luft geschleudert. Und selbst beim normalen Sprechen gelangen kleinste Partikel mit der Atemluft in die Umgebung. An der TU Berlin untersuchen Forscher, wie diese Aerosole sich ausbreiten und wie lange sie in der Luft verbleiben. Mit den Ergebnissen soll sich auch die Ansteckungsgefahr mit Infektionskrankheiten wie Corona besser abschätzen lassen.

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Die Ausbreitung des Atems und der darin enthaltenen Aerosole, die potenziell Viren tragen könnten, wird in den Laboren des Hermann-Rietschel-Instituts an der TU Berlin untersucht.
Die Ausbreitung des Atems und der darin enthaltenen Aerosole, die potenziell Viren tragen könnten, wird in den Laboren des Hermann-Rietschel-Instituts an der TU Berlin untersucht.
(Bild: Hermann-Rietschel-Institut, TU Berlin)

Berlin – Wie genau verbreitet sich das Coronavirus – vor allem über eine Tröpfcheninfektion oder doch eher über Aerosole in der Atemluft? Diese Frage ist noch nicht abschließend geklärt. Ein Berliner Forscherteam geht dem nun nach. „Wir untersuchen in verschiedenen Projekten die Verweilzeit von Erregern in der Luft unter den verschiedensten Bedingungen“, sagt Prof. Dr. Martin Kriegel, Leiter des Hermann-Rietschel-Instituts an der TU Berlin. Im Zusammenhang mit der Corona-Pandemie untersucht er mit seinem Team „Contamination Control“, inwiefern die Ausbreitung des Virus von der Zusammensetzung und Größenverteilung der Partikel innerhalb der ausgeatmeten Luft (Aerosol) abhängt.

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Was ist ein Aerosol?

Bei einem Aerosol handelt es sich um kleinste, flüssige oder feste Partikel in einem Gas, üblicherweise Luft. Das können zum Beispiel Viren sein, einzeln oder im Verbund mit Speichelflüssigkeit, oder auch Ruß, Feinstaub oder andere Partikel. Die Partikelgröße reicht dabei von wenigen Nanometern bis zu mehreren Mikrometern. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar hat eine Dicke von etwa 100 Mikrometern.

„Für das Coronavirus scheint sich herauszustellen, dass sowohl Tröpfcheninfektionen als auch die luftgetragene Übertragung, also über Aerosole, relevant sind“, sagt Kriegel. Bei einer Tröpfcheninfektion gelangen die Viruspartikel in einem Speicheltröpfchen direkt auf die Schleimhäute eines anderen Menschen. Bei einer luftgetragenen Übertragung gelangen die Viren – gebunden in kleinsten flüssigen Partikeln – in die Atemwege. „Größere Partikel sinken schneller zu Boden. Kleinere Partikel folgen dem Luftstrom und können lange in der Luft verbleiben“, erläutert der Forschungsleiter.

Ansteckungsgefahr liegt in der Luft

Die Mischung aus Partikeln, Speichel und Luft, die beim Sprechen, Husten und Niesen entsteht, breitet sich in zwei Schritten im Raum aus: Als erstes erzeugt die Person durch Husten/Sprechen/Niesen einen Strahl, der in die Raumluft eindringt und sich zunehmend mit dieser vermischt. Der Verlauf des eintretenden Strahls ist dabei u.a. abhängig von der Geschwindigkeit, der Turbulenz, der Temperaturdifferenz zwischen Strahl und Umgebungsluft sowie der Differenz der Luftfeuchtigkeit. Aus verschiedenen Studien ist bekannt, dass beim Sprechen/Husten/Niesen Partikel von 0,01 μm bis 1500 μm auftreten.

„Nach vollständiger Vermischung des Strahls mit der Raumluft erfolgt die Verteilung“, erläutert Kriegel den zweiten Ausbreitungsschritt. „Die kleineren Partikel folgen weitgehend der Raumluftströmung, während größere Partikel sukzessive zu Boden fallen. Häufig unbeachtet wird die Tatsache, dass der Mensch nur beim Niesen sehr große Partikel emittiert. Beim normalen Sprechen und Husten werden fast ausschließlich kleine Aerosole generiert“, betont der Forscher.

Viele Partikel bleiben über 20 Minuten in der Luft

In verschiedenen Projekten haben Kriegel und sein Team so genannte Sedimentationszeit (Ablagerungszeit) von Partikeln verschiedener Größenklassen gemessen. Kleine Partikel (0,5 bis 3 μm) sind nach 20 Minuten noch nahezu vollständig in der Luft vorhanden. Eine Ablagerung dieser Partikel ist nicht oder nur geringfügig erkennbar. Für mittlere Partikel (3 bis 10 μm) sind nach 20 Minuten noch mehr als 50% in der Luft zu finden.

„Eine weitere Studie zeigt, dass sich selbst größere Tröpfchen (>60 μm) unter bestimmten Umständen weit im Raum ausbreiten können“, sagt der Teamleiter. „Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn die Partikel im Auftriebsstrom von Wärmequellen (zum Beispiel von einer Person) emittiert werden. Sie steigen auf, verteilen sich horizontal und fangen erst dann an, sich abzulagern. Eventuelle horizontale Luftbewegungen verstärken den Verbreitungseffekt noch.“

Erste Schlussfolgerungen für Büroalltag und Luftwechselraten

Im Zusammenhang mit der Wiederaufnahme des Berufsalltags haben die Wissenschaftler auch die Partikelausbreitung in einem mit vier Personen besetzten Büro simuliert – sowohl mit als auch ohne maschinelle Lüftung. „Dabei zeigt sich, dass gerade kleinere Partikel unter 50 μm sich ohne eine maschinelle Lüftung weit im Raum verbreiten und lange verweilen. Im Gegensatz dazu breiten sich Partikel zwischen 5 und 20 μm in einem Raum mit maschineller Lüftung weniger weit aus und werden zu einem Großteil abgeführt“, fasst Kriegel zusammen.

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„Die entscheidenden Fragen, die wir jetzt in interdisziplinären Projekten untersuchen werden, sind, wie groß SARS-CoV-2-Partikel sein müssen, um noch infektiös zu sein und wie die Verweildauer dieser Partikelgröße durch gezielte Zu- und Abluftanlagen oder auch einfaches Belüften von Räumen beeinflusst werden kann“, sagt Kriegel. Dabei spiele auch das Raumklima eine Rolle, da Aerosole durch Verdunstung sehr schnell kleiner werden und sich dann anders verhalten. „Ganz grundsätzlich kann man festhalten, dass bei typischen Luftwechselraten in Wohn- und Bürogebäuden die Erreger über Stunden im Raum verbleiben. Die Sinkgeschwindigkeit und auch die Lufterneuerung dauern sehr lange. Jede Erhöhung der Außenluftzufuhr ist daher generell sinnvoll.“

Literatur zum Thema: „Viren in der Luft: Ausbreitungsverhalten von Krankheitserregern“, Kriegel, M., Cci Zeitung, 24–25. 2020

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