Adrian Tobisch: Simulation von Raumluftfiltern

Aufgrund der erhöhten Anforderungen an den Infektionsschutz gegen das neuartige Corona-Virus sind Technologien zur Abscheidung von Aerosolpartikeln oder zur Inaktivierung der Viren unumgänglich. Im Rahmen seiner Masterarbeit beschäftigt sich Adrian Tobisch mit aktuellen Erkenntnissen. Mobile Raumluftfilter sollen das indirekte Infektionsrisiko in geschlossenen Räumen minimieren. In einem Stufenhörsaal der Hochschule Heilbronn wird die Ausbreitung luftgetragener, kontaminierter Aerosole mit Computational Fluid Dynamics (CFD) simuliert. Die Bewertung des Infektionsrisikos in der Simulation erfolgt durch Analyse der Raumströmung, der Massenkonzentration und anhand der Zielflächen, auf denen die Partikel landen. Dabei werden unterschiedliche Szenarien vergleichend betrachtet. An einem weiteren Vorlesungsraum und einem Zwei-Personen-Büro wird ermittelt, inwieweit eine Generalisierung der Erkenntnisse möglich ist.

Welches Ziel verfolgte die Masterarbeit?

Während meiner Masterarbeit untersuchte ich den Einsatz von mobilen Raumluftfiltern zum Schutz vor indirekter Infektion. Unter anderem interessierte mich, wie sich Aerosole in einem Raum mit Raumluftfilter ausbreiten und welche Szenarien hierbei genauer zu betrachten sind. Schließlich wollte ich auch eine Antwort auf die Frage finden: „Wie sollte der Raumluftfilter idealerweise betrieben werden?“ 

Was war der Auslöser für die Masterarbeit? Wie startete die Masterarbeit?

Zu Beginn hatte ich zwei mögliche Abschlussarbeiten in der Industrie in Aussicht. Als nächstes habe ich mich über die Betreuung bei Prof. Niessner informiert und bei dieser Gelegenheit auch mögliche Themen am Institut angefragt. Das Thema zur Aerosolausbreitung hat mich sehr angesprochen. Schließlich habe ich meine Werkstudentenstelle verlängert und dem Institut für Strömung in additiv gefertigten porösen Strukturen (ISAPS) zugesagt. Folgend wurde die Masterarbeit thematisch den Projekten „Raumluftfilter“ und „Testaerosole“ zugeordnet. Das Gesamtprojekt mit den Messungen war zu diesem Zeitpunkt schon gestartet und ich konnte dann mit den Simulationen beginnen.

Für welche Aufgaben waren Sie zuständig?

Begonnen habe ich meine Arbeit mit der Grundlagenrecherche zum Thema Aerosole und Mehrphasenströmungen. Mittels der CFD-Software Ansys Fluent wollte ich die methodische Umsetzung durchführen. Physikalische Effekte durch Personen, Heizkörper, Raumluftfilter, Fensterlüftung und Raumtemperatur sollten berücksichtigt werden. Anschließend soll mithilfe eines Versuchsplans die Variation verschiedener Szenarien und Parameter ermittelt werden. Verschiedene Betriebszustände von mobilen Raumluftfiltern sollten bewertet werden. Abschießend formulierte ich eine Abschätzung der Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Räume. 

Gibt es bisher erreichte Meilensteine? Welche werden im Moment als nächstes verfolgt?

Aktuell kann ich über zwei Meilensteine berichten. Am 7. Juli 2021 werde ich Co-Autor bei dem Vortrag des 1. ISAPS Symposium sein, darüber freue ich mich sehr. Übrigens ist die nächste Veranstaltung momentan in der Planung das 2. ISAPS-Symposium wird am 5.7.2022 in der Aula der Hochschule Heilbronn, Campus Sontheim, stattfinden. Des Weiteren freue ich mich über die Veröffentlichung in dem Paper „Advances in Physics“ (AIP) sie trägt den Titel „Reducing indoor particle exposure using mobile air purifiers - experimental and numerical analysis“. Als Nächstes bereite ich mich auf den hochschulöffentlichen Vortrag zu meinem Masterkolloquium am 12.8.2021 vor. Zusätzlich wurde unser Abstract von der American Association for Aerosol Research (AAAR) angenommen, eventuell kommt es zu einem Vortrag auf der AAAR Anual Conference in Albuquerque, New Mexico, USA.

Wer war an dem Projekt mit welchen Aufgaben beteiligt?

• Prof. Jennifer Niessner: Koordination der Raumluftfilteruntersuchungen, Betreuung dieser Abschlussarbeit
• Lukas Springsklee: Experimentelle Untersuchungen, Messungen, Betreuung dieser Abschlussarbeit
• Lisa-Franziska Schäfer: Sensornetzwerk für die Messtechnik, Website und Daten
• Prof. Raoul Zöllner: Koordination Sensornetzwerk
• Adrian Tobisch (ich): Simulationen (Masterarbeit) zu den experimentellen Untersuchungen
• André Baumann: Fachliche Unterstützung bei Simulationen

Zusätzlich beteiligten sich zahlreiche externe Partner. Zu diesen zählen Universitäten, Institute und Unternehmen.

In welchem Fachbereich ist das Projekt angesiedelt?

Im Allgemeinen kann meine Masterarbeit den Fachgebieten Computer Aided Engineering (CAE) und der numerischen Strömungssimulation Computational Fluid (CFD) zugeordnet werden. Als Schwerpunkt würde ich die Mehrphasenströmungen nennen, welche dem Euler-Lagrange-Ansatz mit dem diskreten Phasenmodell (DPM) folgt.

Welche Vorteile bzw. welcher Nutzen entsteht aus Ihrer Sicht durch dieses Projekt?

An erster Stelle steht die Weiterentwicklung des Wissens zum Infektionsschutz. Durch meine Arbeit möchte ich ein besseres Verständnis zur Ausbreitung von Aerosolen unter verschiedenen Szenarien entwickeln. Unsichtbare Vorgänge für das menschliche Auge lassen sich mittlerweile gut virtualisieren. Im Vordergrund steht die Verbesserung des Schutzes vor der indirekten Infektion. Durch die Ableitung von Handlungsempfehlungen und der Bewertung der Übertragbarkeit auf andere Räume sind die Erkenntnisse von allgemeiner Interesse.

Wie gestaltete sich der Projektzeitraum?

Die Projektdauer meiner Abschlussarbeit erstreckt sich über den üblichen Zeitraum von sechs Monaten.

Wie hoch ist das Budget des Projekts?

Da es sich bei meiner Abschlussarbeit um ein Verbundprojekt handelt, liegt das Gesamtbudget bei etwa 1,6 Millionen Euro. Die HHN beteiligte sich mit einem Beitrag von circa 300 Tsd. Euro.

Sind externe Personen, Institutionen oder Unternehmen an dem Projekt beteiligt?

Bei dem Verbundprojekt „Testaerosole“ sind Institutionen, Universitäten und Unternehmen beteiligt. Die Zusammenarbeit in einem Schnittstellenprojekt ist eine Herausforderung, macht aber Spaß und überzeugt mit einem optimalen Output.

• Karlsruhe Institute of Technology (KIT)
• Universitätsklinikum Tübingen
• Universität Stuttgart
• Fraunhofer Institut für Bauphysik (IBP)
• MANN+HUMMEL GmbH
• Palas GmbH 

Wurde das Projekt bereits für die Öffentlichkeitsarbeit genutzt? 

Im Zuge des Gesamtprojekts kam es zu einer Vielzahl von Veröffentlichungen. Beispielsweise auf der Homepage der HHN gibt es einige interessante Beiträge. Unter dem Titel „Coronaviren in Aerosolen inaktivieren – Prüfstand mit UV-C-Strahlung am Uniklinikum Tübingen“ veröffentlichte das COMPAMED Magazin in Zusammenarbeit mit Prof. Niessner eine Videoreportage. Eine Vielzahl von Veröffentlichungen gab es auch zum Thema Raumluftfilterstudie. Hier berichteten regionale Radiosender sowohl als auch das SWR Fernsehen, gelegentlich ist auch ein Beitrag in der Heilbronner Stimme zu finden. Spannend finde ich auch das Interview in dem Podcast von Prof. Großmann, welches auf YouTube veröffentlicht wurde.

Gab es nach Abschluss des Projekts Weiterentwicklungen des Projekts? Inwiefern wurden die Ergebnisse des Projekts im Nachgang verwertet?

Das Projekt „Testaerosole“ ist noch nicht abgeschlossen und ich glaube auch aufgrund aktueller Erkenntnisse wird in den nächsten Monaten weiterhin engagiert daran gearbeitet. 

Woher kam die Begeisterung für die Wahl Deines Studiums?

Zu meinen Schulzeiten am technischen Gymnasium in Backnang habe ich dann sehr gute Einblicke in Maschinenbau, Elektrotechnik und Programmieren bekommen. Da konnte ich mir schon recht gut vorstellen, was die Unterschiede sind. Obwohl ich gemerkt habe, dass Elektrotechnik mich weniger interessiert, habe ich mich trotzdem dafür entschieden, Maschinenbau zu studieren. Das jetzige Projekt an der HHN also auch meine Masterarbeit, ist brandaktuell, es interessiert Menschen und Firmen und die Betreuer hinterließen einen super Eindruck. Darum habe ich mich für die Masterarbeit am Institut entschieden. Ich habe mich für die HHN entschieden wegen der offenen Atmosphäre an der Hochschule und da mir die Hochschulform im Vergleich zur Universität mehr zusagt. Kleinere Kurse und ein geregelter Stundenplan passen eher zu mir, außerdem haben wir in Heilbronn eine sehr gute Mensa und gute Parkmöglichkeiten. Für mich verkörpert die Hochschule Heilbronn angewandte Wissenschaften.

Was ist Ihre derzeitige berufliche Situation, sind Sie bereits in das Berufsleben gestartet, wenn ja wo?

Ein Berufseinstieg im Bereich der Strömung und Thermik würde mir sehr zusagen. Infrage kommen Maschinen und Anlagenhersteller oder Unternehmen, welche sich mit Automatisierungstechnik beschäftigen.

Auf welche Erfolge sind Sie bisher besonders stolz?

Zu meinen Erfolgen, auf welche ich besonders stolz bin, zählt die Entdeckung der Lerngruppe im Bachelorstudium. Es ist zwar sehr zeitaufwendig, aber man lernt viel besser, da man alles gemeinsam macht. Durchhaltevermögen ist das essenziellste egal wie gut oder schlecht man ist. Zusätzlich ist es großartig, dass ich letztes Jahr im Rahmen meiner Bachelorarbeit ein Patent anmelden durfte.

Kurze zeitliche Zusammenfassung Ihrer bisherigen Beschäftigungen.

Damals wechselte ich vom allgemeinbildenden Gymnasium auf das technische . Gymnasium nach Backnang, der Schwerpunkt Technik war für mich genau das Richtige. Nach meinem Abschluss habe ich mich für den Studiengang Maschinenbau an der HHN entschieden. Meine Fähigkeiten wollte ich im Anschluss mit dem Master Maschinenbau weiterhin ausbauen. Zusätzlich bereitete mir meine Tätigkeit als Werkstudent viel Freude.