Luftströmungsforschung könnte die Ausbreitung von Krankheiten und Kontaminationen reduzieren

Der Luftstrom in einem Raum kann die Übertragung von Viren wie COVID-19 beeinflussen.

Ein Wissenschaftler von Texas A&M AgriLife Research untersucht, wie Heizung, Lüftung und Klimaanlage, HVAC, Systemkonfigurationen und Gebäudedesigns die Ausbreitung von Mikroorganismen, einschließlich Viren, die schädlich für die menschliche Gesundheit sind, eindämmen könnten.

Dr. Maria King, Direktorin des Center for Agricultural Air Quality Engineering and Science in der Abteilung für Bio- und Agrartechnik, erhielt kürzlich ein zweijähriges Stipendium der National Institutes of Health in Höhe von 400.000 US-Dollar, um die Luftwege von Krankheitserregern in Gesundheitseinrichtungen zu untersuchen. Die Studie soll Licht auf einen weitgehend unsichtbaren Aspekt der Gebäudegestaltung werfen, der große Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit hat.

King sagte, dass die Studie auf spannende und innovative Weise wissenschaftliche Disziplinen wie Biologie, Virologie, Computermodellierung und Ingenieurwesen mit angewandter Forschung verbindet. Die Studie kommt auch, nachdem sich die Welt mehrere Jahre lang mit Ausbrüchen von COVID-19 beschäftigt hat, das sich hauptsächlich über die Luft verbreitet.

Diese innovative technische Perspektive habe große Auswirkungen auf die Art und Weise, wie Einrichtungen das Luftstromdesign betrachten, sagte King.

„Der Einsatz von Ingenieurwissenschaften zur Untersuchung biowissenschaftlicher Probleme macht einen großen Unterschied in der Art und Weise, wie wir die Krankheitsprävention betrachten“, sagte sie. „Wir erkennen das Potenzial, das technische Werkzeuge und Perspektiven für die Sanierung oder den Kampf gegen Mikroben und Organismen bieten können, die Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit haben.“

Lüftungssysteme sind Teil der meisten bebauten Umgebungen, daher ist die Untersuchung der Auswirkung der Lufteigenschaften auf aerosolisierte Viren von entscheidender Bedeutung. Mithilfe von Luftströmungsmodellen und -simulationen werden Forscher anhand der verschiedenen Faktoren ein visuelles Muster erstellen, wie sich Krankheitserreger innerhalb eines Raums bewegen können. Kings Studie wird grundlegende Fragen im Zusammenhang mit dieser Bewegung beantworten.

King hofft, dass das neue Projekt Wissenschaftlern und Ingenieuren darüber aufklären kann, wie sich Viren in verschiedenen Bioaerosolformen, beispielsweise als Tröpfchen beim Husten oder Niesen, durch einen Raum bewegen.

Ziel ist es, bei der Entwicklung und Umsetzung interdisziplinärer Beatmungsstrategien und -richtlinien im Rahmen der Gestaltung, des Managements und der Überwachung von Krankheiten in Gesundheitseinrichtungen zu helfen und diese auf andere bebaute Umgebungen anzuwenden.

Darüber hinaus möchte das Team herausfinden, wie Faktoren wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftgeschwindigkeit Tröpfchen unterschiedlicher Größe durch Räume mit unterschiedlichen Konfigurationen, Abmessungen, Oberflächeneigenschaften und anderen Merkmalen transportieren, sagte sie. Das Verständnis der Bedingungen, die zu einer höheren Exposition gegenüber Krankheitserregern beitragen, kann zu Entwürfen führen, die die Einschleppung und Ausbreitung von Krankheitserregern reduzieren.

King hat zuvor gezeigt, dass kombinierte Modellierungs- und Probenahmeansätze die Bewegung luftübertragener infektiöser Mikroorganismen durch Belüftung eindämmen können.

King untersuchte beispielsweise die Luftströmung innerhalb einer Fleischverarbeitungsanlage mit Modellsimulationen, um zu zeigen, wie Barrieren, ähnlich wie die durchsichtigen Kunststoffabschirmungen an Kassen in Lebensmittelgeschäften, die Ausbreitung von Krankheitserregern zwischen Personen beeinflussen könnten, die entlang einer Verarbeitungslinie nahe beieinander arbeiten. Die Modellierung zeigte, dass die Barrieren den Luftstrom beeinträchtigten, dass jedoch eine zusätzliche Abschirmung über jedem Arbeiter den Schutz messbar verbessern würde.

King sagte, dass Luftströmungsmodelle und -simulationen eine unglaubliche Menge an Dateneingaben und hochentwickelte Rechentechnologie in den Ressourcen der Texas A&M High Performance Research Computing-Gruppe erfordern, um Luftströmungsmuster korrekt zu visualisieren. Das Forschungsteam wird außerdem Bioaerosolsammler mit hohem Luftvolumen verwenden, um zu untersuchen, wie sich Viren in einem HVAC-System mit unterschiedlichen Einlass- und Auslasskonfigurationen und Luftwechselraten verbreiten können.

Zum Forschungsteam gehören neben King auch Dr. Sandun Fernando, der kürzlich auf die Dow Chemical Endowed Professorship berufen wurde, und Dr. Zivko Nikolov, beide in der Abteilung für Bio- und Agrartechnik. Ein weiteres Mitglied des Teams ist Dr. Gabriel Hamer, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Entomologie.

Das Team wird außerdem Experimente in einem 3/4-Modell eines belüfteten Krankenhauszimmers und in realen Krankenhausumgebungen durchführen.

„Der aufregendste Aspekt dieser Studie ist für mich das Fachwissen unseres Teams sowie die Technologien und einzigartigen Einrichtungen, die wir nutzen, um mehr über die komplexen Herausforderungen zu erfahren, die diese Forschung mit sich bringt“, sagte King. „Innovative Forschung beginnt mit dem richtigen Team, und wir haben ein großartiges interdisziplinäres Team und umfassende Unterstützung durch die Abteilung und die Hochschule für Landwirtschaft und Biowissenschaften. Es ist ein sehr synergetisches Arbeitsumfeld.“

Die Simulationen und Modellierungen haben bereits gezeigt, dass bestimmte Aspekte der Belüftung, wie etwa die Auswirkungen des Gebäudedesigns oder die Anzahl der Luftwechsel pro Stunde, ACH, kontraproduktiv für die Hygiene oder die Infektionsprävention sein können.

Beispielsweise könnte ein Krankenhaus einen hohen ACH-Wert einführen, unter der Annahme, dass luftgetragene Partikel schneller entfernt würden, sagte King. Abhängig von der Anordnung kann der ACH die Partikel jedoch wie ein Mixer durch den Raum bewegen, was die Belichtung erheblich erhöht.

In einem anderen Beispiel befanden sich in einem Fleischverarbeitungsbetrieb die HVAC-Luftansaugeinheiten in der Nähe der Viehställe. Der Ansaugort erhöhte die Wahrscheinlichkeit, dass unerwünschte Bakterien, Pilze oder andere Mikroorganismen die Hygiene in sensiblen Bereichen innerhalb der Fleischverarbeitungsanlage beeinträchtigen könnten.

King sagte, dass sich die Studie zwar auf Gesundheitseinrichtungen konzentriere, die Forschung jedoch unzählige Anwendungen habe, darunter für Schulen, Lebensmittelindustrie, Lebensmittelgeschäfte, Büros und militärische Einrichtungen.

„Die Beispiele mögen jetzt offensichtlich erscheinen, aber sie wurden bei der Konfiguration der Anlagen nicht aus dieser Luftströmungsperspektive berücksichtigt“, sagte King. „Diese Beispiele veranschaulichen, wie wichtig es ist, zu verstehen, wie Modellierung dabei helfen kann, bestimmte Ziele in der Entwurfs- und Planungsphase von Gebäuden zu optimieren. Daher sind wir gespannt, wohin uns diese Studie führt, denn wir glauben, dass diese Entdeckungen für kritische Infrastrukturen sehr wichtig und auch anwendbar sind.“ zu alltäglichen Aspekten unseres Lebens.

Dieser Artikel von Adam Russell erschien ursprünglich auf AgriLife Today.

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