Covid-19 ist schwer einzuschätzen, und komplexe mathematische Modelle, die Infektionsrisiken beziffern, sind letztlich Versuche, sich der Realität anzunähern – auch im Fall von Skigebieten und den vielen Menschen, die sich dort tummeln. Deshalb begann das Team um Ivan Lunati von der Abteilung „Multiscale Studies in Building Physics“ an der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) seine Arbeit just in dieser Wirklichkeit: in Seilbahnkabinen und -gondeln der Bergbahnen Engelberg-Trübsee-Titlis (BET).
Um dort den Faktor Luftaustausch zu erkunden, der bei der aerogenen Verbreitung der SARS-CoV-2- Viren bekanntlich eine wichtige Rolle spielt, führten die Forscher Messkampagnen durch. Sie untersuchten drei Kabinentypen: eine kleinere Gondel namens Omega 3 mit einem Volumen von gut fünf Kubikmetern für maximal acht Passagiere und zwei größere Kabinen mit Raum für 80 beziehungsweise 77 Menschen und einem Volumen von knapp 40 beziehungsweise knapp 50 Kubikmetern.
Wie sich die Luft in diesen Fahrzeugen bewegt, ließ das Empa-Team zunächst mit einem mobilen System erkunden: In Zusammenarbeit mit der Firma Streamwise wurde mittels Luftdrucksensoren die räumliche Verteilung der Strömung in Echtzeit erfasst. Aus diesen Daten berechneten die Forscher dann die Luftaustausch-Raten für die jeweiligen Kabinentypen.
In die gleiche Richtung zielten Messungen des CO2-Gehalts, der als gutes Maß für den Luftaustausch in Innenräumen gilt. Bei Fahrten in der kleinsten Kabine von der Talstation zur Bergstation in gut 2400 Metern Höhe erfassten zwei Sensoren – auf Kopf- und Bauchhöhe – die Konzentration des Gases. Die Resultate: Waren beide Schiebefenster an der rechten Gondelseite geschlossen, stieg der Wert bis zum nächsten Halt, an dem die Türen öffneten, nahezu linear an. War eines der beiden Fenster geöffnet, fiel der CO2-Anstieg deutlich geringer aus. Und bei zwei offenen Fenstern stabilisierte sich der Wert rasch um 500 ppm (parts per million), nach einem Anfangswert von 400 ppm, was der Außenluft entspricht.
Die CO2-Messkampagne dauert zwar noch an, doch sie hat bereits die Resultate der Messungen mit den Luftdrucksensoren bestätigt. Konkret: In der kleinsten Kabine wurde die Luft 138-mal pro Stunde ausgetauscht, in der mittleren 180-mal – und in der größten nur 42-mal. Die Ursachen für den geringeren Luftaustausch in der großen Gondel sind laut Lunati die aufklappbaren Fenster im Dach der Gondel: „Im Gegensatz zu den anderen Kabinen ist der Luftstrom durch den Fahrtwind sehr sensibel“, erklärt er. „Dort herrschen kompliziertere Strömungsverhältnisse, die weniger effizient sind.“
Auf den ersten Blick mag die Zahl von 42 Luftwechseln pro Stunde gering erscheinen, doch ein Vergleich mit anderen Innenräumen rückt den Eindruck ein wenig zurecht: In einem Zugwaggon finden sieben bis 14 Luftwechsel statt; in einem durchschnittlichen Zweier-Büro sogar nur etwa ein Luftwechsel pro Stunde. In Seilbahnkabinen tragen geöffnete Fenster also klar dazu bei, das Risiko einer hohen Aerosolkonzentration zu verringern.
Doch was ist mit der Emissionsrate an Erregern? Ein kniffliger Punkt, so Lunati, weil manche Eigenschaften von Sars-CoV-2 noch ungeklärt sind. Zudem hängt der Ausstoß bekanntlich auch vom Verhalten eines infizierten Menschen ab. Atmet dieser ruhig, oder ist er vom Skifahren so angestrengt, dass er heftig schnauft? Lacht er, spricht er – und wenn ja, laut oder leise? Gute Daten dazu sind laut Lunati derzeit rar. Noch dazu sei physikalisch nicht vollständig geklärt, wie sich Tröpfchen und Aerosole in einem Raum exakt ausbreiten.
Um der Wirklichkeit so nahe wie möglich zu kommen, haben die Empa-Forscher die Rechenmodelle, die für die Abschätzung von Viren-Ausstoß oft benutzt werden, verbessert und entwickelten damit ihre eigene Abschätzung. Dabei ließen sie auch die Verbreitung des Virus in der Bevölkerung mit einfließen – also die Wahrscheinlichkeit, dass in einer Kabine ein, zwei oder sogar mehr Virusträger anwesend sind. Ein einfaches Zahlenbeispiel für eine Kabine mit fünf Menschen: Bei einer Verbreitung des Virus von 0,1 Prozent der Bevölkerung läge die Wahrscheinlichkeit, dass eine unerkannt infizierte Person anwesend ist, statistisch bei rund 1 : 200 – und bei 1 : 10.000, dass zwei Infizierte anwesend sind. Im Falle einer größeren Verbreitung von einem Prozent der Bevölkerung wäre dieses Risiko entsprechend 1 : 20 für einen und 1 : 1.000 für zwei Infizierte.
Dass jede 100. Person infiziert ist, sei als Spitzenwert während einer Pandemie durchaus realistisch, so Lunati; das entspricht auch den Resultaten des Massentests in Graubünden. Ein real möglicher Fall, bei dem 80 Menschen eine vollbesetzte Kabine bevölkern, wäre in diesem Fall freilich schon heikler: Dann liegt die Wahrscheinlichkeit, dass eine Person unerkannt infiziert ist, laut den Empa-Fachleuten bei rund 36 Prozent. Und dass zwei Passagiere infiziert sind bei rund 14 Prozent.
Mit diesen und anderen Faktoren wie etwa der Zeitspanne, in der Erreger inaktiv werden, errechneten die Forscher zunächst Infektionsrisiken für anfällige Personen in der Kabine - und daraus schließlich ein Risiko für sämtliche Passagiere. Wichtigste Parameter sind die Luftaustauschrate, die Anzahl Infizierte pro Luftvolumen und die gesamte Verweildauer. Die Resultate für eine kleinere Seilbahnkabine (acht Personen, offene Fenster) veranschaulicht ein Vergleich mit anderen Orten: Ein Dinner-Event auf 30 Quadratmetern mit acht Menschen, die sich laut unterhalten, wäre massiv riskanter. Das Infektionsrisiko einer 12-minütigen Fahrt mit der kleineren Kabine ist zudem deutlich geringer als bei einem 8-stündigen Arbeitstag in einem Zweierbüro mit 20 Quadratmetern Fläche, dessen Luftfüllung einmal pro Stunde ersetzt wird. Wenn die Fenster also offenbleiben, bedeutet ein Skitag mit einigen Kabinenfahrten ein deutlich geringeres Ansteckungsrisiko als ein Arbeitstag in einem wenig belüfteten Zweierbüro.
Die Abschätzungen der Empa-Forscher sind zunächst für den Fall ohne Mund-Nasen-Schutz-Masken ausgelegt. „Wir wollten das reine Infektionsrisiko durch Aufenthalte in Seilbahnkabinen ermitteln“, erklärt Lunati. „Wenn sie richtig getragen werden, reduzieren Masken das Risiko entsprechend ihrer jeweiligen Filterleistung. Sie schützen vor allem vor der größeren Tröpfchen-Übertragung, zum Beispiel durch Sprechen, sehr gut.“
Welche konkreten Empfehlungen leiten sich aus den neuen Erkenntnissen ab? Neben dem naheliegenden Ratschlag „Bitte lüften!“ lohnt es sich auch, die Anzahl der Passagiere pro Fahrt zu begrenzen. „Das wird in Skigebieten ohnehin schon gemacht und ist auf jeden Fall die richtige Strategie“, so Lunati.
Einen ersten, einfachen Zusammenhang zwischen Coronaviren in der Luft und dem Infektionsrisiko in Innenräumen ermittelte das Team von Jing Wang vom Empa-Labor für „Advanced Analytical Technologies“ bereits vor der Wintersaison 2020/21. Die Forschenden werteten Daten von COVID-Infektionen wie auch von Ausbrüchen der Coronavirus-Erkrankungen SARS und MERS aus. Dabei verglichen sie das Risiko einer Corona-Infektion in Innenräumen durch Kontakt mittels Tröpfcheninfektion bzw. durch Virus-haltige Aerosole in der Luft. Fazit: Das Infektionsrisiko einer Person - ohne Maske – ist rund 1000-mal höher, wenn sie weniger als einen Meter Abstand zu einem infizierten Menschen hat, als das Risiko, sich über Virus-haltige Aerosole in weiterer Entfernung im Raum anzustecken.
Verkleinert man den Raum auf ein Zehntel der Fläche, steigt das Risiko einer Infektion allerdings rund um das Zehnfache. Schlechte Belüftung, längere Aufenthaltsdauer und mehr Infizierte im Raum lassen das Infektionsrisiko zusätzlich ansteigen. Die „National COVID-19 Science Task Force“ hatte Wangs Erkenntnisse zur Rolle von Aerosolen bei der Übertragung von SARS-CoV-2 denn auch in ihre Empfehlungen aufgenommen. Wang, der zudem eine Professur am Institut für Umweltingenieurwissenschaften der ETH Zürich bekleidet, beschäftigt sich auch mit einem weiteren COVID-spezifischen Forschungsthema: Mit seinem Team entwickelte er einen optischen Biosensor, der das Coronavirus in der Luft in Echtzeit nachweisen kann.
Quelle: Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa)
Vergleich der Infektionsrisiken in drei unterschiedlichen Situation bei einem 1%-Anteil an Infizierten in der Bevölkerung: Blau: zwölfminuten Fahrt in einer Seilbahngondel (8 Personen), orange: Abendessen (8 Personen), grün: Büro (2 Personen).
Quelle: © Empa