Literatura académica sobre el tema "Aerosolpartikel"

Aerosolpartikel bilden einen wichtigen Übertragungsweg für einige Viruserkrankungen, wie beispielsweise SARS-CoV-2. Eine Vorhersage eines Infektionsrisikos für verschiedene Räume ist daher essenziell, um sinnvolle und effiziente Maßnahmen ergreifen zu können. Dieser Artikel stellt ein solches Modell zur Vorhersage eines Infektionsrisikos über Aerosolpartikel vor und zeigt, dass Büroräume zwar ein hohes Infektionsrisikos darstellen können, allerdings eher selten für große Ausbrüche verantwortlich sind, während in Veranstaltungsräumen zwar ein niedriges Risiko berechnet wird, aber hohe Infektionszahlen auftreten können.

Optische Aerosolspektrometer werden bei der zeitaufgelösten Bestimmung der Exposition gegenüber alveolengängigem Staub (A-Staub) an Arbeitsplätzen, aber auch bei Aerosolmessungen in Innenräumen, z. B. im Zusammenhang mit der COVID-19-Pandemie, zunehmend eingesetzt. Diese Geräte messen das von Aerosolpartikeln gestreute Licht als Maß für deren Größe. Um aus den Messergebnissen z.B. die A-Staub-Massenkonzentration bestimmen zu können, sind somit Annahmen hinsichtlich der Partikeleigenschaften, insbesondere des Brechungsindizes und der Dichte, erforderlich. Für die Bestimmung coronarelevanter Aerosole sind vor allem flüssige Aerosolpartikel von Bedeutung. Im Rahmen der hier vorgestellten Untersuchungen wurden Aerosolspektrometer verschiedener Hersteller im Labor sowie in Ringversuchen mit unterschiedlichen monodispersen und polydispersen sowie festen und flüssigen Prüfaerosolen beaufschlagt und die Messwerte den Ergebnissen von Referenzverfahren gegenübergestellt. Es zeigte sich, dass die Aerosolspektrometer generell für die genannten Einsatzzwecke geeignet sind. Um möglichst genaue Ergebnisse zu erzielen, ist aber ggf. eine individuelle Gerätekalibrierung für den jeweiligen Einsatzzweck erforderlich.

Für Schadstoffe, die einer dynamischen Entwicklung (Vermehrung oder Zerfall) unterliegen, existieren in Verbindung mit einer instationären Raumlüftung keine allgemeingültigen Berechnungsvorschriften. Diese Schadstoffe, wie beispielsweise Viren (die an in der Raumluft schwebende Aerosolpartikel gebunden sind und im Laufe der Zeit inaktiv werden), Bakterien (die sich bei bestimmten Raumtemperaturen und -feuchten mit zunehmender Zeit intensiv vermehren können) oder radioaktive Isotope (die nach bestimmten Gesetzmäßigkeiten zeitabhängig zerfallen) sind derzeit gerade für die Gesundheit in Aufenthaltsräumen bedeutungsvoll.

Viele, sogenannte „Luftreiniger“ werden heute mit HEPA-Filtern (High-Efficiency Particulate Air / Arrestance-Filter) ausgestattet. Diese scheiden mehr als 99,9 Prozent der Aerosolpartikel aus dem Luftstrom ab. Untersuchungen an der Universität der Bundeswehr München haben die Reinigungswirkung von Luftreinigern mit HEPA-Filtern aufgezeigt. In diesen Untersuchungen werden Feinfilter als Alternative explizit nicht empfohlen. Mit HEPA-Filtern der Klasse H14 werde laut der Studie eine hohe Sicherheit bei Luftreinigern erreicht. Diese Aussage hat sich als Stand des Wissens etabliert. Aber stimmen diese Aussagen überhaupt oder sind sie sogar irreführend und suggerieren eine Sicherheit, die gar nicht erreicht werden kann?

In diesem Beitrag werden Ergebnisse eines Berechnungsverfahrens zur Bewertung eines relativen Infektionsrisikos vorgestellt, mit dem eine (beliebige) Raumsituation mit einer Referenzsituation verglichen werden kann. Die Referenzsituation beschreibt einen Klassenraum mit maschineller Belüftung, ausgelegt nach dem heutigen Stand der Technik. Dabei wird vorausgesetzt, dass keine absolute Sicherheit vorliegt, jedoch eine nur sehr geringe Infektionswahrscheinlichkeit angenommen wird. Durch die Wahl der Raum- und Lüftungsparameter wird sichergestellt, dass sich in der Referenzsituation nach dem heutigen Stand des Wissens Infektionen über virentragende Aerosolpartikel nur beschränkt bis gar nicht ausbreiten können. Für Fälle, in denen keine Ausstattung mit meist zentral gesteuerten raumlufttechnischen Anlagen (RLT-Anlagen) vorliegt, was für die meisten Schulen gilt, wurde in Schulklassenräumen mit Lüftung über Fenster ebenfalls eine Referenzsituation mit einem relativen Infektionsrisiko von „1“ beschrieben und als Berechnungsbezug verwendet. Alle Berechnungen können sowohl stationär als auch instationär über eine Internetseite für eigene Räume und Szenarien durchgeführt werden (http://risico.eonerc.rwth-aachen.de/). Bei allen modellbasierten Betrachtungen bleiben andere Übertragungswege, wie Kontaktübertragung, das Nicht-Beachten allgemeiner Hygieneregeln oder direkte Kontakte, unberücksichtigt. Auch das generelle Tragen von besonders wirksamen Mund-Nasen-Bedeckungen (MNB) wie FFP2- oder OP-Masken mit CE-Zeichen nach DIN EN 14683, wie es sich in der politischen Diskussion zunehmend als Vorgabe abzeichnet, wird nicht vorausgesetzt.

Atmosphärische Aerosolpartikel können durch ein breites Spektrum an natürlichen oder anthropogenen Emissionen mit unterschiedlich hohen Konzentrationen in die Atmosphäre freigesetzt werden. Sie beeinflussen den Strahlungshaushalt und damit auch das Klima der Erde und können außerdem durch ihre Präsenz in der Atmosphäre Wechselwirkungen mit Mensch und Natur, also dem gesamten Ökosystem haben. Seit dem Jahr 2010 gelten in der EU Grenzwerte für die PM10 Tagesmittelkonzentration, die jedoch bereits wenige Monate nach Beginn der Gültigkeit an vielen Messstationen überschritten wurden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war eine objektive Bewertung der Herkunft und des Zustandes der an einem Messort ankommenden Luftmasse und der damit verbundenen Schadstoffniveaus. Im ersten Teil der Arbeit wurden PM10 Messdaten aus fünf Jahren in und um Leipzig sowie analog in fünf verschiedenen Regionen deutschlandweit in Bezug auf PM10 Grenzwertüberschreitungen untersucht. Es wurden Rückwärtstrajektorien für eine Clusteranalyse verwendet, mit der spezifische Wetterlagen unterschieden wurden und diesen dann die einzelnen Messtage mit den zugehörigen Schadstoffkonzentrationen zugeordnet wurden. Hierbei wurde deutlich, dass durch entsprechende meteorologische Bedingungen sowohl lokal als auch regional emittierte Schadstoffe in Bodennähe akkumulieren oder aber auch räumlich verteilt werden können. Außerdem wurde in dieser Arbeit eine Modellvalidierung vorgestellt. Es wurde das Modellsystem COSMO-MUSCAT/ext-M7 verwendet, dessen Ergebnisse mit Beobachtungsdaten verglichen wurden. Als erstes wurde die Beschreibung der meteorologischen Bedingungen, dann die räumliche Verteilung von PM10, die chemische Partikelzusammensetzung sowie physikalische Aerosolparameter wie Partikelanzahl, -volumen und -durchmesser verglichen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass nach wie vor Probleme bei der Beschreibung der mikrophysikalischen Aerosoleigenschaften bestehen. Die Größenordnungen der verglichenen Parameter können vom Modell abgebildet werden, dennoch müssen Modellergebnisse nach wie vor mit Vorsicht interpretiert werden, insbesondere hinsichtlich von Prozessen, bei denen die Partikelanzahl eine Rolle spielen.

Im Rahmen dieser Dissertation werden eine Serie von Grundlagenexperimenten zur Ablagerung (Deposition) und Remobilisierung (Resuspension) von Aerosolpartikeln in turbulenten Strömungen beschrieben. Die Kernmotivation stellt die Quelltermanalyse von Druckentlastungsstörfällen von Hochtemperaturreaktoren (HTR) dar. Im Primärkreislauf früherer HTR-Forschungsanlagen wurden größere Mengen an radiologisch belastetem Graphitstaub gefunden. Dieser Staub scheint größtenteils durch Abrieb zwischen den graphitischen Kernstrukturen entstanden zu sein und verteilte sich während des fortlaufenden Reaktorbetriebs über sämtliche Oberflächen des Primärkreislaufs. Während eines Druckentlastungsstörfalls kann dieser Staub durch die Gasströmung remobilisiert und aus dem Primärkreislauf ausgetragen werden. Eine Quelltermanalyse solch eines Störfallszenarios erfordert die Kenntnis über die Menge und die räumliche Verteilung des Staubs, die radiologische Belastung sowie das Remobilisierungsverhalten in Bezug auf die zu erwartenden Strömungstransienten. Nach dem heutigen Stand von Wissenschaft und Technik kann die räumlich-zeitliche Verteilung des Staubs im Primärkreislauf für stationären Reaktorbetrieb unter Verwendung eindimensionaler Systemcodes abgeschätzt werden. Jedoch ist unbekannt, welcher Anteil des Staubinventars durch die Gasströmung remobilisiert und aus dem Primärkreislauf ausgetragen werden würde. Zur systematischen Untersuchung des Staubtransportverhaltens in turbulenten Strömungen wurden zwei kleinskalige Versuchsanlagen entwickelt und eine Serie von Depositions- und Resuspensionsexperimenten durchgeführt. Die partikelbeladene Strömung in der Heißgasumgebung des HTR-Primärkreislaufs wurde über die Verwendung von Ähnlichkeitskennzahlen auf eine Luftströmung bei Umgebungsbedingungen herunterskaliert. Die Strömung und die Partikel wurden mittels hochauflösender, bildgebender und nichtinvasiver Messverfahren räumlich und zeitlich vermessen, um eine umfangreiche Datenbasis für die Analyse der Partikeltransportprozesse zu erstellen. Inhaltlich lassen sich die durchgeführten Untersuchungen in drei Teile gliedern. Der erste Teil besteht aus zwei Studien über die Deposition und Resuspension monodisperser, sphärischer Einzelpartikel in einer ungestörten, horizontalen Kanalströmung. Die systematische Variation experimenteller Randbedingungen wie der Partikelgröße, der Oberflächenrauheit und der Strömungsgeschwindigkeit ermöglichte die Quantifizierung der einzelnen Einflussgrößen. Im zweiten und dritten Teil der Dissertation wurden die Deposition und Resuspension einer mehrschichtigen Ablagerung (Partikel-Multilayer) zwischen periodischen Stufen und in einer Kugelschüttung untersucht, um die komplexe Interaktion zwischen der turbulenten Strömung und der Multilayer-Ablagerung weiter zu erforschen. Die gewonnenen Erkenntnisse leisten einen Beitrag für die Quelltermanalyse des Staubtransports im HTR-Primärkreislauf und können für die Weiterentwicklung numerischer Strömungssimulationen des Partikeltransports in turbulenten Strömungen verwendet werden
Aerosol particle deposition and resuspension experiments in turbulent flows were performed to investigate the complex particle transport phenomena and to provide a database for the development and validation of computational fluid dynamics (CFD) codes. The background motivation is related to the source term analysis of an accidental depressurization scenario of a High Temperature Reactor (HTR). During the operation of former HTR pilot plants, larger amounts of radio-contaminated graphite dust were found in the primary circuit. This dust most likely arose due to abrasion between the graphitic core components and was deposited on the inner wall surfaces of the primary circuit. In case of an accident scenario, such as a depressurization of the primary circuit, the dust may be remobilized and may escape the system boundaries. The estimation of the source term being discharged during such a scenario requires fundamental knowledge of the particle deposition, the amount of contaminants per unit mass as well as the resuspension phenomena. Nowadays, the graphite dust distribution in the primary circuit of an HTR can be calculated for stationary conditions using one-dimensional reactor system codes. However, it is rather unknown which fraction of the graphite dust inventory may be remobilized during a depressurization of the HTR primary circuit. Two small-scale experimental facilities were designed and a set of experiments was performed to investigate particle transport, deposition and resuspension in turbulent flows. The facility design concept is based on the fluid dynamic downscaling of the helium pressure boundary in the HTR primary circuit to an airflow at ambient conditions in the laboratory. The turbulent flow and the particles were recorded by high-resolution, non-invasive imaging techniques to provide a spatio-temporal insight into the particle transport processes. The different investigations of this thesis can be grouped into three categories. Firstly, the deposition and resuspension of monodisperse single particles in a horizontal turbulent channel flow was studied. The systematic variation of the experimental boundary conditions allows for the quantification of the influences of particle size, surface roughness, and fluid velocity. In the second and third part of this thesis, the deposition and resuspension of a particle multilayer between periodic steps and in a pebble bed was studied to explore the complex interaction between the turbulent flow and the particles, respectively. The findings of this thesis are a contribution to the source term analysis of HTR related accidental depressurizations. Furthermore, the database can be applied to CFD code developments for the numerical simulation of particle transport processes in turbulent flows

Soot particles are a major absorber of shortwave radiation in the atmosphere. They exert a rather uncertain direct and semi-direct radiative effect, which causes a heating or in some cases a cooling of the atmosphere. The mass absorption coefficient is an essential quantity to describe this light absorption process. This work presents new experimental data on the mass absorption coefficient of soot particles in the troposphere over Central Europe. Mass absorption coefficients were derived as the ratio between the light absorption coefficient determined by multi angle absorption photometry (MAAP), and the soot mass concentration determined by Raman spectroscopy. The Raman method is sensitive to graphitic structures present in the particle samples, and was calibrated in the laboratory using Printex90 model particles. The mass absorption coefficients were determined for a number of seven observation sites, ranging between 3.9 and 7.4 m²/g depending on measurement site and observational period. The highest values were found in an continentally aged air mass in winter, where we presumed soot particles to be present mainly in internal mixture. The regional model WRF-Chem was used in conjunction with a high resolution soot emission inventory to simulate soot mass concentrations and absorption coefficients for the Central European Troposphere. The model was validated using soot mass concentrations from Raman measurements and absorption coefficients. Simulated soot mass concentrations were found to be too low by around 50 %, which could be improved by scaling the emissions by a factor of two. In contrast, the absorption coefficient was positively biased by around 20%. Adjusting the modeled mass absorption coefficient to measurements, the simulation of soot light absorption was improved. Finally, the positive direct radiative forcing at top of the atmosphere was found to be lowered by up to 70% for the model run with adjusted soot absorption behaviour, , indicating a decreased heating effect on the atmosphere.