nnenraumluft: effektiv von Viren befreien
Wie lässt sich die Luft in Innenräumen effektiv von Viren befreien? Diese
Frage wird nun im Herbst wieder wichtiger, vor allem für Schulen ist eine
sinnvolle Luftreinigung essenziell. Im Projekt AVATOR untersuchen und
optimieren Fraunhofer-Forschende verschiedene Filter- und
Luftreinigungstechnologien.
In allen deutschen Bundesländern ist die Schule wieder in vollem Gange –
mit gesamter Klassenstärke. Kinder und Jugendliche sitzen dicht gedrängt
in den Klassenzimmern, viele von ihnen aufgrund ihres jungen Alters
ungeimpft. Um das Ansteckungsrisiko zu minimieren, fördern
Landesregierungen und Kultusministerien die Anschaffung von
Raumfluftreinigern. Doch was können die verschiedenen Technologien zur
Raumluftrei-nigung tatsächlich leisten? Das beleuchten Forscher*innen aus
insgesamt 15 Fraunhofer-Instituten und Einrichtungen unter der
Federführung des Fraunhofer-Instituts für Bauphy-sik IBP im Fraunhofer-
Projekt AVATOR, kurz für »Anti-Virus-Aerosol: Testing, Operation,
Reduction«. Sie untersuchen und optimieren dabei auch neue
Reinigungstechnologien, die bisher noch nicht auf dem Markt sind.
Klassische Raumluftfilter
Die bekannteste Raumluftreinigung erfolgt durch die klassischen
Raumluftfilter. Sie zie-hen die Luft durch ein Filtervlies, in dem die
Viren hängenbleiben, und geben die gerei-nigte Luft wieder in den Raum ab.
Wie solche Geräte wirkungsvoll eingesetzt werden können, zeigen
Simulationen des Fraunhofer EMI anhand eines Klassenraums: Mit einer
sinnvoll eingestellten Luftaustauschrate und geeigneter Positionierung
kann die Aerosol-konzentration nach 10 bis 15 Minuten Betrieb auf etwa die
Hälfte reduziert werden. Die Simulationen zeigen auch: Die
Aerosolkonzentration hängt von den konkreten Gege-benheiten ab und ist
nicht für alle Positionen im Klassenraum gleich. Um die Raumluft noch
besser von den beim Atmen ausgestoßenen Aerosolen – vor allem von deren
Vi-renlast – befreien zu können, haben die Forschenden vom Fraunhofer LBF
und IAP die Kunststoffe für die Vliesherstellung mit Additiven versehen.
»Die Filterwirkung der Vliese beruht auf drei verschiedenen Mechanismen«,
erläutert Prof. Dr. Gunnar Grün, stellver-tretender Leiter des Fraunhofer
IBP und Leiter des Projekts AVATOR. »Große Partikel passen nicht durch das
Vlies hindurch, sie werden herausgesiebt. Etwas kleinere Partikel werden
ausgebremst, sie bleiben durch die Trägheit im Vliesmaterial hängen. Die
pola-ren Additive wirken sich auf die Filterleistung bezüglich der
kleinsten Partikel aus, welche aufgrund von Oberflächeneffekten am
Filtermaterial haften.« Eben diese Oberflä-cheneffekte verändern die
Wissenschaftler*innen durch die Additive, so dass die kleins-ten Partikel
effizienter herausgefiltert werden. Da die Gesamt-Filterleistung durch die
am wenigsten abgeschiedene Partikelgröße bestimmt wird und dies meist sehr
kleine Parti-kel (um die 200 µm bis 300 µm) sind, lässt sich die Effizienz
durch diese Beschichtung noch einmal steigern. Zwar gibt es bereits
Ansätze, die Filterleistung durch Additive zu verbessern. Doch sind die so
optimierten Filtervliese auf die üblichen ölbasierten Prüfae-rosole
ausgelegt. Die Aerosole, die Menschen an die Luft abgeben, sind jedoch
wasser-basiert und verhalten sich daher anders. »Wir konnten insbesondere
die Effizienz bei diesen Bio-Aerosolen erhöhen«, sagt Grün. Entsprechende
wasserbasierte Testaerosole generieren die Forschenden am Fraunhofer IMM
auf Basis von Liposomen, zusammen mit einem Gerät zum optischen Nachweis
von Viruspartikeln in Raumluft.
Luftreinigung durch Plasma
So gut die Raumluftfilter in Klassenräumen und Co. auch funktionieren: In
Umgebungen wie zum Beispiel kalten und feuchten Kühlräumen oder
Schlachthöfen stoßen sie an ihre Grenzen – insbesondere wenn es um
Nachrüstungen geht. Um hier keinen zusätzlichen Luftwiderstand in das
System einzubauen, bieten sich Reinigungsanlagen, die unter Verwendung von
Niedertemperaturplasma die Luft von Viren befreien. Die Viren bleiben
dabei nicht an Filtervliesen hängen, sondern werden im Plasmagerät
deaktiviert und an Elektroden abgeschieden. Auch hier konnte die
Fraunhofer-Forschergruppe im Projekt AVATOR Verbesserungen erzielen.
»Unsere Kolleginnen und Kollegen vom Fraunhofer IPM haben auf Basis der
Technologie eines Industriepartners aus dem Automobilbereich
selbstreinigende Elektroden entwickelt – die übliche Abreinigung entfällt
dabei«, erläu-tert Grün.
»Virusgrill«: Übertemperatursterilisation
Raumluftfilter und Plasma entfernen die Viren aus der Raumluft. Einen
gänzlich anderen Ansatz, um Ansteckungen zu vermeiden, wählen die
Forschenden mit dem »Virusgrill«: Sie erhitzen die Luft auf über 90 Grad
Celsius und machen die Viren somit unschädlich. Zwar verbleiben die Viren
in der Luft, können sich allerdings nicht mehr vermehren – sie sind
inaktiviert – und können den Menschen somit auch nichts mehr anhaben. Das
Fraunhofer IFAM in Dresden konnte bereits zeigen, dass das Prinzip
funktioniert. Durch die sehr hohe Wärmerückgewinnung wird ein
energieeffizienter Betrieb der Luftreini-gung ermöglicht und die
Wärmezufuhr an den Raum minimiert. Dies ist insbesondere in
Klassenzimmern, Büros und anderen nicht klimatisierten Räumen wichtig.
Derzeit entwi-ckeln die Wissenschaftler*innen die Apparatur weiter.
Insbesondere die Miniaturisierung steht auf der Agenda.
Büroraumteiler
Einen Ansatz, der insbesondere in Großraumbüros zum Tragen kommt, haben
Fraunhof-er ICT und Fraunhofer IBP mit einem Produzenten von Schaumstoffen
entwickelt. Sie nutzen schallabsorbierende Raumteiler, um die Luft von
ihrer Virenlast zu befreien und die Ansteckungsgefahr zu minimieren. »Die
gesamte Oberfläche des Schaumstoffs wird mit einem antimikrobiellen
Silbercompound beschichtet – so können wir bei Durchströ-mung eine hohe
Vireninaktivierung erreichen«, fasst Grün zusammen. Einen Demonstra-tor
gibt es bereits. Dabei kommt auch die schallschluckende Funktion nicht zu
kurz: Insbesondere im Bereich der menschlichen Sprache, also bei etwa 1000
bis 4000 Hertz, besteht eine hohe Schallabsorption.
Viruzid zur Raumdesinfektion
Sollen Räumlichkeiten, die nicht belegt sind, gereinigt werden, kommen
Viruzide zum Einsatz. Allerdings müssen diese Gefahrstoffe üblicherweise
zum Einsatzort transportiert und bis zu ihrer Verwendung gelagert werden.
Die Forscher*innen des Fraunhofer IMM haben daher eine praktischere
Alternative entwickelt: einen mobilen Reaktor, der das Viruzid
Peroxodicarbonat aus einer harmlosem Natriumcarbonat-Lösung herstellt. Das
Viruzid selbst zerfällt in ebenfalls harmlose Produkte. Der Reaktor
funktioniert bereits, am Fraunhofer ITEM werden derzeit die
Toxizitätsversuche durchgeführt – also untersucht, wie intensiv die
Wirkung des Viruzids auf Mikroorganismen ist und ob eine kritische
Belastung für Mensch und Umwelt aus der Anwendung resultiert.
Validierung der Technologien mit Virusnachweis
Seien es klassische Raumluftfilter, seien es Virusgrill oder Raumteiler:
Die Reinigungs-technologien müssen genauestens auf ihre Effizienz
überprüft werden. Mit dieser Vali-dierung beschäftigen sich drei
Fraunhofer-Institute: das Fraunhofer ITEM, das Fraunhofer IBP und das
Fraunhofer IGB. Dort werden für Menschen ungefährliche, nicht pathogene
Viren vernebelt, die den SARS-CoV-2-Viren allerdings hinsichtlich Größe,
umhüllender Struktur und RNA-Strang ähneln. Diese sogenannten
Surrogatviren werden skaliert produziert und gereinigt, als Testaerosole
formuliert und als solche für die verschiedenen Reinigungstechnologien
vernebelt. Um zu überprüfen, wie effektiv die neuen Inaktivie-
rungsverfahren sind, analysieren die Forscher*innen die Infektiosität und
vergleichen die Gesamtzahl der Viren vor und nach der Inaktivierung.
Hintergrundinformation
Das Projekt AVATOR wurde mit Mitteln aus dem Sofortprogramm »Anti-Corona«
der
Fraunhofer-Gesellschaft gefördert. Das Projektkonsortium besteht aus den
Fraunhofer-Instituten:
• Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP
• Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI
• Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM
• Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT
• Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und
Systemzuverlässigkeit LBF
• Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP
• Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM
• Fraunhofer-Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin
ITEM
• Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF
• Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM
• Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD
• Fraunhofer Singapore
• Fraunhofer Austria
• Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte
Materialforschung IFAM
• Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB
