Weltraumtechnik fürs Klassenzimmer

Forschungsprojekt zu Filtersystem Weltraumtechnik fürs Klassenzimmer

Die Virenbelastung in Räumen zu verringern, ist ein Ansatzpunkt im Kampf gegen die Corona-Pandemie. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt hat nun ein Filtersystem getestet, das unter anderem in Klassenräumen, Restaurants und Kinos genutzt werden könnte. Noch sind die Filter nicht im Einsatz, die Ergebnisse sind aber vielversprechend.

Aerosolmessung in einem Klassenzimer am DLR

Ein Dummy mit Atemluftsimulator macht die Ausbreitung von Aerosolen messbar.

Foto: DLR (CC-BY 3.0)

Ein Belüftungskonzept mit Filtersystem für Klassenzimmer, Restaurants und Kinos hat das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Göttingen getestet. Der Test fand im Auftrag der OHB System AG, der HT Group und DASTEX statt und bestätigte die Effizienz des untersuchten Lüftungssystems im Vergleich zu einer Fensterlüftung.

Das Risiko, sich mit Krankheitserregern anzustecken, die primär über die Atemwege übertragen werden, steigt in geschlossenen Räumen mit der Menge an Aerosolen (die sogenannte Quellenstärke) und der Aufenthaltszeit an. Je höher die Menge an Aerosolen ist, desto höher ist das Ansteckungsrisiko. Um dem entgegenzuwirken, muss die Anzahl der Viren örtlich und zeitlich reduziert werden. Dies kann durch Verdünnung mit Frischluft (Lüften) oder gefilterter Luft (Raumluftfilter) erfolgen. Das jetzt getestete Konzept setzt auf das Prinzip der Verdrängungslüftung sowie effiziente Filtrierung der potenziell belasteten Raumluft.

Das OHB-HT-Konzept zielt nicht nur auf das Coronavirus ab. Das System ist außerdem dafür ausgelegt, die Luftqualität hinsichtlich Pollen-, Bakterien-, Pilze und Feinstaubbelastung zu verbessern.

Filtersystem verhindert unkontrollierte Aerosol-Ausbreitung

Bei dem untersuchten Lüftungskonzept handelt es sich um ein Spin-Off aus der Raumfahrt und Medizintechnik - einem Konzept für ein wirksames Filtersystem für Räume. Das Konzept "Next Generation Classroom" ist ein möglichst einfach einzubauender Nachrüstsatz für Räume, der die Dichte von zum Beispiel Corona- und Grippeviren und damit das Übertragungsrisiko reduzieren soll. Erreicht wird dies durch ein sogenanntes vertikales Lüftungskonzept.

Grafik zum Next Generation Classroom (Weitere Beschreibung unterhalb des Bildes ausklappbar als "ausführliche Beschreibung")

Durch die Lüftung vom Boden in Richtung Decke soll virenbelastete Luft gezielt und schnell gefiltert werden.

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Foto: Bundesregierung

Dabei wird Frischluft am Boden eingebracht, an der Decke abgesaugt und nach einer Filterung wieder bodennah zugeführt. Verstärkt wird die vertikale Strömung in Richtung Decke durch die sogenannte Auftriebsströmung, die die Menschen im Raum durch die Abgabe ihrer Körperwärme bewirken. So wird die Atemluft effektiv einem Filtersystem zugeführt, und die darin enthaltenen virenbelasteten Aerosole können sich nicht unkontrolliert im Raum ausbreiten.

Sicherheit der Menschen im Raum wird erhöht

Verantwortlich für das neue Konzept ist Dr. Axel Müller von der OHB System AG im Bereich Cleanliness. Vereinfacht gesagt sorgt er dafür, dass Satellitenbauteile keine chemische, partikulare oder biologische Verunreinigung aufsammeln und dass Wärmeeinflüsse bei hochpräzisen Messungen nicht stören. Mittel der Wahl ist eine optimierte Luftführung, die den störenden Einfluss von Wärme und Kontaminationsquellen auf das zu schützende Bauteil ausschließt.

Genau das war für Müller die Idee, für Klassenzimmer, Arztpraxen und sonstige Räume eine Ausrüstung zu konzipieren, die die Sicherheit der Menschen erhöht, die sich dort aufhalten. "Zielsetzung ist, potenziell virenbelastete Luft gezielt schnell zu filtrieren und eine unkontrollierte Durchmischung im Raum zu vermeiden", erklärt Müller.

Aerosolmessung in einem Klassenzimer am DLR

DLR-Testraum: Bis zu 15 Dummies werden in verschiedenen Szenarien eingesetzt - etwa einem Klassenzimmer oder einem Kino.

Foto: DLR (CC-BY 3.0)

Strömungsforscher sehen großes Potenzial

"Als Strömungsforscher bescheinigen wir dem Konzept ein großes Potenzial und halten es für besser als das Lüften per Fenster", sagt Dr. Andreas Westhoff vom DLR in Göttingen, der die erste, mehrtägige Phase der Messkampagne betreute. Durch Fenster gelange Luft seitlich in den Raum, verwirbele und könne mit weiteren Personen in Kontakt kommen - das sogenannte horizontale Lüften.

Hingegen zeigte die Untersuchung, "dass mit Hilfe des getesteten Prototypen eine stabile Strömung vom Menschen direkt zur Absaugung realisiert werden kann", so Westhoff. Die vom Menschen erzeugte Auftriebsströmung unterstütze diesen Effekt. Eine unkontrollierte Ausbreitung von viren- und bakterienbelasteten Aerosolen aus der Atemluft werde reduziert. Außerdem werde die virenbelastete Luft effektiv der Filteranlage zugeführt.

Praxistest in Schule geplant

Die Messungen wurden mit beheizten Modellen vorgenommen – schwarzen Dummies, die mit einem Heizdraht umwickelt sind und die Wärmeabgabe eines typischen sitzenden Menschen simulieren. "Diese Wärmeabgabe jedes Menschen erzeugt eine Auftriebsströmung, die die Strömung in einem Raum wesentlich beeinflusst", so Westhoff. Zusätzlich wurde ein Dummy mit einem Atemsimulator ausgestattet, der am DLR Göttingen entwickelt wurde. Das Institut kann auf eine jahrzehntelange Expertise für Lüftungssysteme insbesondere in Fahrzeugen zurückgreifen.

In mehreren Szenarien wie einem Klassenzimmer, einem Arzt-Warteraum, einem Gastro-Bereich sowie einer Kinobestuhlung saßen bis zu 15 Dummies an Tischen. Zum Funktionsnachweis des Lüftungskonzeptes und um die Luftströmung sichtbar zu machen, wurde eine sogenannte Rauchvisualisierung durchgeführt. Ergänzend hierzu wurde CO2 als Tracer-Gas in den Raum eingelassen, um damit die Verbreitung von Aerosolen zu simulieren. Mit Hilfe von CO2-Konzentrationsmessungen kann die Ausbreitung von virenbelasteten Aerosolen untersucht werden.

Mit dem "Next Generation Class Room"-Demonstrator erfolgen in den nächsten Wochen in Göttingen weitere Tests. So soll unter anderem auch die Ausbreitung menschlicher Spucke-Partikel simuliert werden. Parallel plant das Konsortium, den Praxistest in einer Schule oder einem Restaurant.