Aerosolen op de spoor

Beim Ausatmen und Sprechen werden Tröpfchen und Aerosole unterschiedlicher Größe ausgestoßen. Größere Tröpfchen (rot) sinken nach unten ab. Kleinere Tröpfchen (gelb, grün, blau) steigen zunächst nach oben, denn die Körperwärme erzeugt eine Auftriebsströmung. Verschiedene Schutztypen von Mund- und Nasen-Bedeckungen verhindern die Ausbreitung in unterschiedlichem Maße. Das Bild zeigt die Simulationen im Vergleich – eine partikelfiltrierende Maske (FFP2/N95), eine medizinische Gesichtsmaske (OP-Maske), ein Gesichtvisier (Faceshield) und ganz ohne Schutz. © Fraunhofer ITWM / Tröpfchen und Aerosole verschiedener Größen werden beim Ausatmen oder Sprechen ausgestoßen. Größere Tröpfchen (rot) sinken zu-letzt zum Boden. Kleinere Tröpfchen (gelb, grün, blau) steigen zunächst nach oben, weil die Körperwärme eine auftriebserzeugende Strömung verursacht. Verschiedene Schutzarten von Masken verhindern die Verbreitung in unterschiedlichem Maße. Das Bild zeigt einen Vergleich der Simulationen – eine partikelfiltrierende Maske (FFP2/N95), eine chirurgische Gesichtsmaske, ein Gesichtsschild und keinen Schutz. © Fraunhofer ITWM

Simulatiescenario vliegtuig – hoe verspreiden aerosolen zich in het interieur? © Fraunhofer ITWM / Simulatiescenario vliegtuig - hoe verspreiden aerosolen zich in het vliegtuiginterieur? © Fraunhofer ITWM

Blick von oben auf die Gänge eines Supermarkts. Die Wege (Trajektorien) der simulierten Kunden sind als bunte Linien dargestellt, Cluster von ähnlichen Trajektorien jeweils in derselben Farbe. Die mittels Künstlicher Intelligenz erstellte repräsentative Trajektorie, die die Berechnung erleichtert, ist für den jeweiligen Cluster in Schwarz gezeigt. © Fraunhofer Austria / Vogelperspektive auf die Gänge in einem Supermarkt. Die Wege (Trajektorien) der simulierten Kunden sind als farbige Linien dargestellt, wobei Cluster ähnlicher Trajektorien in derselben Farbe gezeigt werden. Die durch künstliche Intelligenz erstellte repräsentative Trajektorie, die die Simulation erleichtert, ist für den jeweiligen Cluster in Schwarz dargestellt. © Fraunhofer Austria

Een simulatiescenario: Hoe verspreiden aerosolen zich in een vliegtuig? © Fraunhofer IBP / Een simulatiescenario: Hoe verspreiden aerosolen zich in een vliegtuig? © Fraunhofer IBP

Hoe verspreiden infectieuze aerosolen zich in supermarkten, vliegtuigen en andere binnenruimtes waar veel mensen samenkomen? Dit onderzoeken onderzoekers uit 15 Fraunhofer-instituten en -instellingen in het project »AVATOR«.

Afstand houden en maskers dragen blijven belangrijk. Terwijl de kans op besmetting buiten vrij laag is, kunnen infectieuze aerosolen zich binnen gemakkelijk ophopen en tot besmettingen leiden. Hoe verspreiden deze aerosolen zich, en hoe groot is het besmettingsrisico in vliegtuigen, supermarkten, klaslokalen en dergelijke?

Simulatieketen in plaats van enkele simulaties

Dit onderzoeken onderzoekers uit in totaal 15 Fraunhofer-instituten en -instellingen onder leiding van het Fraunhofer Instituut voor Bouwfysica IBP in het project AVATOR, kort voor »Anti-Virus-Aerosol: Testing, Operation, Reduction«. »Wij simuleren en analyseren hoe virussen zich verspreiden in binnenruimtes en op welke wijze de lucht effectief kan worden gereinigd«, zegt Prof. Dr. Gunnar Grün, adjunct-directeur van het Fraunhofer IBP en projectleider. Het bijzondere: de wetenschappers werken niet met één enkele simulatiemethode, maar maken bij de betrokken instituten simulaties met verschillende technieken en detailniveaus over lange tijdsperioden. Dit begint bij de directe nabijheid van een geïnfecteerde persoon – dus dicht bij de mond – en loopt door tot het verre veld, oftewel grote ruimtes. Hoeveel virussen komen bij verschillende maskertypen in de lucht? Hoe gedraagt de luchtstroom zich in de buurt van een persoon, en in hoeverre verspreiden uitgeademde virussen zich mogelijk over de tijd door de hele ruimte? »Wij maken simulaties op verschillende schalen, die we afhankelijk van de vraag kunnen combineren tot een simulatieketen«, verduidelijkt Grün.

Zo richt bijvoorbeeld het Fraunhofer ITWM zich in de nabijheidsimulatie vooral op de vraag hoe de aerosolenconcentratie in de directe omgeving van een geïnfecteerde persoon verandert wanneer hij of zij verschillende maskers draagt. De experimentele validatiedata over het stromingsveld werden door expertenteams verzameld met laserlichtsnede- en Schlieren-meettechnieken bij het Fraunhofer EMI. Het deel van het Fraunhofer IBP ligt op de grootschalige simulatie over lange tijdsperioden, bijvoorbeeld in vliegtuigcabines of productieruimtes. Om de simulaties te valideren, vergelijken de onderzoeksteams ze met meetgegevens uit de eigen vliegtuigcabine van het IBP, waar de luchtstromingen optimaal kunnen worden onderzocht. »In onze simulaties bij het Fraunhofer IBP kijken we naar het hele dagverloop. De simulatie kan daarom natuurlijk niet zo nauwkeurig zijn als die van de andere instituten, die zich beperken tot enkele minuten. Maar juist hierin ligt het grote voordeel van de simulatieketen: de simulaties vullen elkaar op een zinvolle manier aan. Omdat de overgangen tussen de simulaties kunnen worden gekoppeld, kan het verkregen beeld op een waardevolle manier worden uitgebreid«, zegt Grün.

Agentensimulatie houdt rekening met beweging

De situatie wordt nog complexer wanneer mensen zich niet alleen onbeweeglijk in de ruimtes bevinden, maar ook door de ruimte bewegen. Dit hebben de Fraunhofer-onderzoekers ook in hun berekeningen meegenomen – met een agentenwerkzeug dat door Fraunhofer Singapore is ontwikkeld. Wie loopt waar langs? Op wie treft die persoon? Het Fraunhofer IGD en het Fraunhofer EMI leveren daarvoor de bijbehorende simulaties van de luchtstromingen.

Welke luchtwervelingen ontstaan door beweging? Om dit voor alle ontmoetingen te simuleren, ontbreekt simpelweg de rekenkracht. Daarom selecteert Fraunhofer Austria met methoden van machinaal leren representatieve situaties, die vervolgens worden doorgegeven aan de stromingssimulatie. Door deze gerichte inzet van kunstmatige intelligentie wordt de agentenbasierte stromingssimulatie pas beheersbaar. Hoe de aerosolen zich verspreiden in een supermarkt waar verschillende mensen bewegen, heeft het consortium al voorbeeldig berekend. Natuurlijk kan het model ook worden toegepast op vliegtuigen, klaslokalen en andere ruimtes.

Uit de simulaties kunnen conclusies worden getrokken over de verspreiding van aerosolen in specifieke ruimtes. Hoeveel virussen ademt bijvoorbeeld een persoon in een vliegtuig in wanneer een geïnfecteerde een rij verder zit? Aan de hand van twee risicomodellen, die gezamenlijk worden geëvalueerd door het Fraunhofer IFF en Fraunhofer ITEM, kan het infectierisico worden beoordeeld en de invloed van verschillende beschermingsmaatregelen worden ingeschat. »Door de koppeling van de verschillende modellen kunnen we heel goed zien dat het dragen van FFP2-maskers in een vliegtuigcabine de blootstelling met meer dan 95 procent vermindert en daarmee ook het infectierisico«, noemt Grün een van de voorbeelden van de resultaten. Het exacte risico hangt natuurlijk af van verschillende factoren: bijvoorbeeld de exacte afstand tot de geïnfecteerde persoon, het aantal infectieuze virussen en de duur van het verblijf binnen. Op basis van de gegevens uit de risicobeoordeling kunnen de projectdeelnemers ook zinvolle hygiënemaatregelen afleiden en hun effectiviteit testen. Technologieën voor luchtzuivering en de validatie van hun werking staan daarom eveneens centraal in de ontwikkelingen binnen het project AVATOR.