Reduzieren der Corona-Virenansteckung mittels Überwachung von CO₂-Konzentrationen in geschlossenen Räumen

Autor: Sofia Deloudi, Sensor Expert

Jedes Jahr sterben weltweit 7 Millionen Menschen an den Folgen der Belastung durch verschmutzte Luft. Da die Luftverschmutzung in Innenräumen bis zu fünfmal höher ist als im Freien, gehört die Luftqualität in Innenräumen derzeit zu den fünf größten Umweltrisiken für die öffentliche Gesundheit, da sie sich auf die Energieeffizienz, die Leistungsfähigkeit, das Wohlbefinden und die Gesundheit der Menschen auswirken kann.

Ein Aspekt, der sich negativ auf die Luftqualität in Innenräumen auswirkt, ist Kohlendioxid (CO₂). Der Mensch produziert CO₂ auf natürliche Weise, wenn er Kohlenhydrate zur Energiegewinnung verstoffwechselt, und atmet CO₂ über die Atmung aus. Steigt die CO₂-Konzentration in der Luft jedoch an, verringert sich der inhärente CO₂-Konzentrationsgradient, der zwischen den Lungen und der eingeatmeten Luft besteht, und der Körper ist weniger in der Lage, dieses Gas auszustossen. Dies führt dann zu einem höheren CO₂-Gehalt im Blut, was sich auf die lebenswichtigen Funktionen des Körpers auswirken kann.

Coronavirus kann über Mikrotröpfchen verbreitet werden, die Dutzende von Metern weit wandern können

Neben CO₂ wirken sich mehrere andere Komponenten negativ auf die Qualität der Innenraumluft aus: Farben und Lösungsmittel, Tierhaare und - im heutigen Klima vielleicht am relevantesten - Bakterien und Viren. Bis zum 16. Oktober 2020 hat die aktuelle Coronavirus-19 (COVID-19)-Pandemie weltweit mehr als 38 Millionen Menschen infiziert, und die Zahl der Todesopfer liegt inzwischen bei über 1 Millionen.

COVID-19 wird, wie viele andere Viren auch, über Atemtröpfchen verbreitet, die von infizierten Menschen durch Atmen, Husten und Niesen ausgestossen werden, und wird auch durch direkten, gemeinsamen Kontakt mit kontaminierten Oberflächen übertragen. Diese Infektionskrankheiten treten häufig in den kälteren Monaten stärker auf, da die Menschen dazu neigen, mehr Zeit in Innenräumen zu verbringen, wo die Luftqualität schlechter ist.

Soziale Distanzierung und vermehrtes Händewaschen wurden eingeführt, um die Ausbreitung von COVID-19 über grosse Atmungströpfchen (die nahe an den Ausatmungsort fallen, in der Regel innerhalb von 1-2 Metern) zu begrenzen und den Kontakt mit kontaminierten Oberflächen zu verringern. Der dritte Übertragungsweg vieler Viren ist jedoch über kleine luftgetragene Mikrotröpfchen (≤5 µm), die sich über Dutzende von Metern leicht durch einen Raum bewegen können.

Im Jahr 2004 analysierte ein Team von Wissenschaftlern einen Gemeinschaftsausbruch des schweren akuten respiratorischen Syndroms Coronavirus (SARS-CoV-1) in einem Wohnkomplex in Hongkong. Mit Hilfe der rechnergestützten Luftstromdynamik stellten sie fest, dass eine grosse Anzahl von Fällen auf die Ausbreitung kleiner luftübertragener Mikrotröpfchen zurückzuführen war. Kürzlich haben mehrere Studien zur Übertragung des aktuellen Coronavirus (SARS-CoV-2) gezeigt, dass es auf dieselbe Weise übertragen wird, was zweifelsfrei beweist, dass kleine luftübertragene Mikrotröpfchen, die beim Atmen und Sprechen freigesetzt werden, zur Ausbreitung der Infektion in geschlossenen Räumen führen können. Wissenschaftler fordern nun nationale und internationale Gremien auf, diesen Übertragungsweg anzuerkennen und Kontrollmassnahmen einzuleiten, um diesen Infektionsweg zu minimieren.

Virale Übertragung kann durch Erhöhung der Ventilation reduziert werden

Glücklicherweise lässt sich dieser Übertragungsweg, wie auch die CO₂-Konzentration, durch eine verstärkte Belüftung leicht reduzieren. Einige Gebäude sind mit Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HVAC) ausgestattet, die eine mechanische Belüftung durchführen können. Für Gebäude ohne mechanische Belüftung, wie z.B. Wohnungen und Restaurants, kann auch eine natürliche Belüftung über das Öffnen von Türen und Fenstern wirksam sein, obwohl der Luftstrom in dieser Situation stärker davon abhängt, wie weit die Fenster geöffnet werden können, von der Position der Fenster und Türen und von den äußeren Wetterbedingungen.

Während der Gehalt an Viruspartikeln in der Luft leider nicht nachweisbar ist, ist es jedoch relativ einfach, die CO₂-Konzentration mit einem CO₂-Sensor zu messen. Daher kann die Verwendung von CO₂-Konzentrationen als Surrogat zur Überwachung des Niveaus von infektiösem Material in der Luft wirksam sein. Man kann sich den CO₂-Gehalt in der Luft als ein "Ampelsystem" vorstellen: Grün liegt zwischen 400-1'000 ppm und ist die CO₂-Konzentration in der Aussenluft; gelb liegt zwischen 1'000-1'600 ppm und ist dort, wo 80% der Menschen mit der wahrgenommenen Luftqualität zufrieden sind; rot ist ≥1'600 ppm und ist dort, wo es nachweisbare negative Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und das Wohlbefinden gibt. Auf diesem Niveau wird die Luftqualität als schlecht eingestuft und das Risiko einer Virusübertragung erhöht.

Sensirion CO₂-Sensoren können als Surrogat zur Messung des Gehalts an infektiösem Material verwendet werden

Sensirion ist der weltweit führende Hersteller von digitalen Mikrosensoren. Das Unternehmen bietet zwei CO₂-Sensoren an: den SCD30 und den SCD4x, die mit der CMOSens® Technologie zur hochgenauen CO₂-Messung mittels Infrarotdetektion oder der PASens® Technologie basierend auf einem photoakustischem Messprinzip (±30 ppm bzw. ±50 ppm) ausgestattet sind. Diese Sensoren sind klein - der SCD4x insbesondere, da er in einen Raum von einem Kubikzentimeter passt -, um eine einfache Integration in HVAC-Systeme zu relativ geringen Kosten zu ermöglichen.4,5 Diese Systeme können dann so programmiert werden, dass sie die Belüftung erhöhen, wenn die CO₂-Werte 1.000 ppm erreichen.

Da sich die globale Coronavirus-Pandemie in vielen Teilen der Welt nun in der zweiten Welle befindet und die Menschen aufgrund des kälteren Wetters zunehmend Zeit in geschlossenen Räumen verbringen, könnte eine verstärkte Belüftung durch natürliche oder mechanische Ventilation dazu beitragen, die Ausbreitung von COVID-19-Infektionen zu minimieren und damit Leben zu retten.

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Referenzen und weiterführende Literatur
11/2021
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