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Covid-19 Linearmotor als künstliche Lunge zeigt die Schutzwirkung von Masken

Von Franz Joachim Roßmann*

Mund-Nase-Masken halten Aerosole zurück – jedoch nicht zu 100 Prozent. Forscher der OTH Regensburg veranschaulichten in einem Versuchsaufbau, dass die Schutzwirkung der Masken durch einfache zusätzliche Maßnahmen deutlich erhöht werden kann.

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Ohne Mund-Nase-Masken breiten sich ausgehustete Aerosole über große Distanzen aus, wie Messungen von Forschern der OTH Regenburg mithilfe von Laserlicht zeigen.
Ohne Mund-Nase-Masken breiten sich ausgehustete Aerosole über große Distanzen aus, wie Messungen von Forschern der OTH Regenburg mithilfe von Laserlicht zeigen.
(Bild: F. Roßmann)

Das Corona-Virus ist noch immer das bestimmende Thema. Ein Werkzeug zur Eindämmung des Virus ist die AHA-Regel. Diese besagt: Abstand, Hygiene und Alltag mit Maske. Die Masken helfen, die Ausbreitung des Covid-19-Virus einzudämmen bieten jedoch keinen Vollschutz. Doch schon einfache Maßnahmen können die Schutzwirkung der Masken erhöhen. „Einen 100-Prozent-Schutz können Masken grundsätzlich schon wegen möglicher Anwendungsfehler nicht bieten. Trotzdem wäre es falsch, ihnen eine Schutzwirkung komplett abzusprechen“, sagt Prof. Krenkel, der an der Fakultät Maschinenbau der OTH Regensburg das Lehr- und Forschungsgebiet Biofluidmechanik leitet. „Mit einfachen Optimierungsmaßnahmen lässt sich bei den medizinischen Mund-Nase-Masken bezogen auf Aerosole eine Rückhalterate von bis zu 85 Prozent und bezogen auf Tröpfchen von etwa 95 Prozent erreichen und damit die Schutzwirkung deutlich erhöhen.“ Das haben Krenkel und sein Team anhand eines Versuchsaufbaus herausgefunden.

Bestandteile des Tests waren ein Laser, künstlich hergestellter Rauch, eine Maske und Linmot-Linearmotoren: Der aufgefächerte Laser macht im Labor den Rauch sichtbar, der unter den Rändern einer medizinischen Mund-Nase-Maske entweicht. Er besteht aus Partikeln von 200 nm bis 2 μm und eignet sich damit zur Modellierung der Aerosole, die von Menschen ausgeatmet werden. Besonders stark tritt der Rauch im Test oberhalb der Wangen und seitlich der Nasolabialfalten des verwendeten Dummies aus.

Einfache Apparate reichen zur Analyse nicht aus

Das Labor für biomedizinische bzw. biologische Strömungen an der OTH Regensburg wurde Anfang 2014 eröffnet. Seit dem haben Prof. Krenkel und sein Team bereits umfangreiche Erfahrungen mit dem Aufbau von Testanordnungen zur experimentellen und numerischen Untersuchung von Strömungen in biologischen/medizinischen, aber auch technischen Systemen gesammelt. Die Forscher haben sowohl Vorgänge im menschlichen Blutkreislauf als auch in den Atemwegen nachgebildet und analysiert. Für die Untersuchung von Atemwegsprozessen benötigten die Forscher u. a. eine „passive Lunge“, mit der sie das Druck-Volumen-Verhalten des menschlichen Atemorgans nachstellen konnten.

Da die Druck-Volumen-Kurve aufgrund der Nachgiebigkeit (Compliance) des Lungengewebes nicht linear verläuft, sondern S-förmig (sigmoidal), und beim Ein- und Ausatmen unterschiedlich ausfällt, kamen dafür einfache Apparate wie ein Windkessel oder Vergleichbares nicht in Frage. Dies galt auch für die Simulation des Herzens. Auch hier stoßen einfache Systeme schnell an ihre Grenzen. Schrittmotor-angetriebene Exzenterpumpen erlauben beispielsweise nur die Abbildung linearer Abhängigkeiten und bieten den Forschern auch sonst nur wenige Freiheiten. „Wir brauchten daher etwas, das schnell und zugleich exakt regelbar ist“, fasst Prof. Krenkel die Anforderungen an die gesuchte Lösung zusammen.

Linearmotoren helfen bei der Forschung

Die Forscher nutzten schließlich zwei Linmot-Linearmotoren vom Typ PS01-48x240F-C in Schutzart IP67, die jeweils den Kolben eines zylindrischen Linearpumpensystems antreiben. Ein Ventilsystem ermöglicht die Druckregelung und Einbringung von Medien (Luft, Blutersatz) pro Zylinder. Die Linearmotoren werden über Linmot-Regler versorgt und von einer häufig in Maschinen eingesetzten Industriesteuerung kontrolliert und koordiniert.

Bei ihrer Arbeit profitieren die Forscher von der Flexibilität, die die Linearmotoren bieten. So kann mit dem System das kontinuierlich pulsatile Druck-Volumen-Verhalten eines gesunden, aber auch eines erkrankten Herzens im Testaufbau realitätsnah und reproduzierbar nachgestellt werden. Das gleiche System haben die Forscher eingesetzt, um eine passive Lunge zu simulieren, die in der Lage ist, selbst die Folgen krankhafter Veränderungen nachzubilden. Das schließt beispielsweise die Luftumverteilungen zwischen den Lungenflügeln mit ein.

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Testaufbau mit verschiedenen Atemszenarien

Anfang März 2020, als die Corona-Pandemie auch in Deutschland angekommen war, traten Krankenhäuser mit der Frage an die Forscher um Prof. Krenkel heran, inweit sich medizinische Mund-Nase-Masken zum Schutz des medizinischen Personals eignen. Innerhalb weniger Tage entwickelten die Forscher einen Testaufbau. Die Linearmotoren von Linmot bilden hierbei das Herzstück eines künstlichen Atemsystems und erzeugen einen variierbaren Atemstrom. Dank der Programmierbarkeit der Parameter „Beschleunigung“, „Verfahrgeschwindigkeit“ und „Hub“ konnten die Forscher verschiedene Atemszenarien wie normales Atmen, Husten oder hypoxisches Atmen mit geringem Aufwand implementieren. Dazu erstellten sie mit dem Engineering- und Konfigurationswerkzeug Linmot Talk verschiedene Bewegungsprofile. Diese Bewegungsprofile können die Forscher abspeichern und jederzeit direkt aus dem Steuerprogramm abrufen – in beliebiger Reihenfolge und bei Bedarf gegebenenfalls auch während der Programmausführung über die Bedienerschnittstelle der Industriesteuerung.

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Bei der Erstellung der Profile kam den Forschern zugute, dass der Hub-Volumen-Zusammenhang für die Kombination Linearmotor-Linearpumpe proportional ist, sodass sich die in der Literatur häufig anzutreffenden Kurven, bei denen das Volumen über die Zeit hinweg dargestellt wird, einfach übertragen lassen.

Kombinationen automatisieren den Testablauf

„Es ist von Vorteil, dass wir die Linmot-Motoren mit sehr universellen und ausgereiften Systemen wie den Steuerungen von Beckhoff oder B&R kombinieren können. Diese Firmen haben eine große Palette an unterschiedlichen I/O- und Schnittstellenmodulen im Programm“, erläutert Prof. Krenkel. „So können wir den kompletten Testablauf vollständig automatisieren, die Systeme synchronisieren und damit eine hohe Reproduzierbarkeit gewährleisten.“ So hängen beispielsweise an einer 24-V-Ausgangssklemme der Aerosolgenerator und das Ventil, das den Zugang zur Linearpumpe steuert, sodass die Partikel exakt zum richtigen Zeitpunkt vom Kolben der Pumpe eingesogen werden können.

85 Prozent der Aerosole können zurückgehalten werden

Prof. Dr.-Ing. Lars Krenkel, Leiter des Lehr- und Forschungsgebiets Biofluidmechanik der Fakultät Maschinenbau an der OTH Regensburg: „Wie wir mithlfe der Linearmotoren von Linmot nachweisen konnten, lässt sich mit einfachen Optimierungsmaßnahmen die Schutzwirkung deutlich erhöhen.“
Prof. Dr.-Ing. Lars Krenkel, Leiter des Lehr- und Forschungsgebiets Biofluidmechanik der Fakultät Maschinenbau an der OTH Regensburg: „Wie wir mithlfe der Linearmotoren von Linmot nachweisen konnten, lässt sich mit einfachen Optimierungsmaßnahmen die Schutzwirkung deutlich erhöhen.“
(Bild: OTH Regensburg)

Um alle relevanten Übertragungswege von Partikeln abzudecken, untersucht das Team von Prof. Krenkel die Ausbreitungsmechanismen sowohl von Aerosolen als auch von Tröpfchen unter möglichst realistischen Bedingungen: „Der Fokus unserer Forschungsarbeit in Zusammenarbeit mit den Unikliniken Hamburg Eppendorf und Regensburg liegt darauf, die Schutzfunktion von Masken unter verschiedensten Randbedingungen zu untersuchen sowie Optimierungsmaßnahmen zu identifizieren und sie zu quantifizieren.“

„Stand Mitte Mai 2020 stellt sich die Datenlage so dar, dass medizinische Masken je nach Konstruktion 65 bis 75 Prozent der Aerosole in der Hauptebene zurückhalten können. In der Nebenebene hängt die Filterwirkung sehr davon ab, wie gut die Maske angelegt ist und welche Körperkonstitution des Trägers vorliegt“, fasst Prof. Krenkel die Ergebnisse der in sechs Wochen durchgeführten Testreihen zusammen. „Mit einfachen Maßnahmen, wie dem Fixieren bzw. seitlichem Abkleben der Masken mit Klebeband, lassen sich 85 Prozent der Aerosole zurückhalten und der Austritt von ungefilterter Luft an den Seiten komplett unterbinden.“

Dass der Forscher innerhalb weniger Tage erste reproduzierbare Testergebnisse vorlegen konnte, lag auch an der Verwendung des hoch flexiblen Linearmotorsystems von Linmot. Es lässt sich in vielen Arbeitsgebieten der Biofluidmechanik einsetzen und reduziert dort die Zeit und den Aufwand für den Aufbau von komplexen Testszenarien. Prof. Krenkel will daher auch bei weiteren Forschungsaufträgen verstärkt auf das Linearmotorsystem zurückgreifen.

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Info
Aerosole

Epidemiologien legen bei der Betrachtung der Infektionswege besonderes Augenmerk auf die Aerosole, weil sie lungengängig sind und sich durch Konvektion lange in der Luft halten können. Unter Aerosolen werden Partikel in der Größenordnung von etwa 100 nm bis zu 5 μm verstanden. Sie dringen bis in die Bronchien vor und können dort, wenn sie virenbelastet sind, Lungenentzündungen auslösen. Teilchen im Bereich von 5 bis 10 μm gelangen dagegen maximal bis zur Stimmritze. Größere Tröpfchen bis etwa 100 μm scheiden sich sogar schon in der Nase oder im Rachen ab und verursachen so in der Regel nur leichte Krankheitsverläufe. Sie unterliegen den Gesetzen der Ballistik und können sich nicht über längere Strecken (etwa nur 1,5 m) in der Luft halten. Die Gefahr, die von kontaminierten Tröpfchen ausgeht, wird daher insgesamt als gering bzw. einfacher beherrschbar eingeschätzt.

Partikel ab einer Größe von 100 μm können unter normalen Umständen gar nicht erst eingeatmet werden.

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* Dipl.-Ing. Franz Joachim Roßmann ist Technikjournalist aus Gauting bei München.

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