Laborjournal: Sie und Ihre Arbeitsgruppe am Göttinger Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisationhaben erforschten bereits vor der Pandemie Aerosole, allerdings ging es dabei ums Wetter und die Dynamik in Wolken. Eigentlich ja ein ganz anderes Thema.
Eberhard Bodenschatz » Als Corona ausbrach, waren wir gerade am Äquator und haben in den Passatwind-Regionen Wolken untersucht. Die Aerosole in den Wolken, an denen die Wolkentröpfchen nukleieren, haben ähnliche Größen wie die Aerosole, die der Mensch ausatmet. Uns wurde klar: Wir haben ja die Instrumente, um genau das zu untersuchen! Anschließend sind wir die Literatur durchgegangen und kamen zu dem Schluss, dass die Daten zu menschlichen Aerosolen und Ansteckungswegen bei Infektionen doch sehr löchrig waren. Beim Verständnis der Literaturdaten geht es ja in der Wissenschaft immer noch ziemlich durcheinander. Anfangs wurden von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) – aber auch vom Robert-Koch-Institut (RKI) – aus mir völlig unerklärlichen Gründen ansteckende Aerosole ignoriert. Dabei war uns klar, dass sich Corona auch über Aerosole ausbreiten kann und das auch tun würde. Also begannen wir mit eigenen Messungen.
Zudem wurden Masken nicht ernst genommen. Bei uns am Institut war ich damals geschäftsführender Direktor, und wir tragen seit den ersten Fällen in Deutschland Masken. Bisher haben wir keine Anzeichen von auch nur einer Übertragung oder Ansteckung bei der Arbeit im Institut.
Wie sind Sie vorgegangen, als Sie mit den Untersuchungen von Aerosolen am Menschen begonnen haben?
Bodenschatz » Wir haben Tauchermasken verwendet, weil wir schnell feststellten, dass die für Messungen am Menschen sehr gut geeignet sind. Neuartige Schnorchelmasken trennen mit Einlass- und Auslassventilen die Einatem- von der Ausatemluft. Wir konnten also die ausgeatmete Luft isoliert messen, ohne uns um die eingeatmete Luft kümmern zu müssen. Wir haben gleich zu Beginn der Pandemie auch Vergleichsmessungen in Innenräumen und Außenbereichen durchgeführt. Wir wollten wissen: Wie schaut es aus mit dem Singen? Wie sinnvoll sind die geltenden Regeln in Theatern? In der Staatsoper in Hannover haben wir Sänger untersucht und sogar eine Balletttänzerin.
Später haben wir auch Atmen, Reden, Schreien und Singen in unserem Reinraum untersucht – nicht nur mit Maske, sondern auch mit anderen Wolkenmessinstrumenten, weil dort die Luft rein ist und im Wesentlichen nur die Atempartikel enthält. Das hat alles sehr gut geklappt. Wir haben dann daraus ein Forschungsprogramm gemacht und inzwischen über 200 Personen untersucht. Bei der Kombination unserer Messmethoden sind wir einzigartig – da behaupte ich, dass das sonst so niemand gemacht hat. Ganz wenige Forscherinnen und Forscher nutzen für größere Tröpfchen und Aerosole die Holografie, und wenn, dann nur in Wolken. Niemand außer uns kann Particle Tracking mit Größenbestimmung.
Sie haben mir Fotos gezeigt, auf denen Probanden direkt in eine Vorrichtung atmen, auf der mehrere Hochgeschwindigkeitskameras montiert sind, um die Aerosole zu messen.
Bodenschatz » Ja, da kommt ein 300-Watt-Laser zum Einsatz und Kameras, die 20.000 Bilder pro Sekunde aufzeichnen. Eine weitere Kamera nimmt 1.000 Bilder pro Sekunde auf. Einzelaufnahmen können wir dann überlagern und sehen so genau die Wege, die die Tröpfchen unterschiedlicher Größen nehmen. Die großen Tröpfchen folgen einer parabelförmigen ballistischen Bahn – also wie eine Kanonenkugel. Demnach fallen sie auch rasch zu Boden. Kleine Tröpfchen hingegen bewegen sich mehr wie Feinstaub und liegen in einer turbulenten Strömung in einem Jetkegel, der geradeaus nach vorn weg geht. Mit diesen Kameras können wir runtergehen auf Größen bis fünf Mikrometer. Die kleineren Partikel messen wir mit Aerosolspektrometern bis zu zwanzig Nanometer, was einem Fünftel der Größe eines einzelnen Coronavirus entspricht.
Das ist ein anderer Versuchsaufbau als der mit der Tauchermaske auf einem anderen Foto.
Bodenschatz » Richtig. Mit der Maske stellen wir sicher, dass Einatem- und Ausatemluft getrennt sind. Für den Ausatemstrom haben wir dann noch einen Diffusionstrockner für die Aerosole vor die Messapparatur geschaltet. Mit diesem Aufbau können wir dann trockene Aerosole messen von zehn Mikrometern bis runter auf zwanzig Nanometer.
Was meinen Sie mit „trockenen“ und „nassen“ Aerosolen? Ich dachte bei Aerosolen im Zusammenhang mit Corona eigentlich immer nur an Tröpfchen und feuchte Aussprache!
Bodenschatz » Wir haben alle eine nasse Aussprache, das ist so! Ein humanes Aerosol ist ein getrocknetes Tröpfchen. Diese werden oft als Tropfenkerne bezeichnet – also eben das, was beim Trocknen übrigbleibt. In der Wolkenforschung ist es anders herum, da werden trockene kleine Aerosole aktiviert, wenn sich daran ein Tröpfchen bildet. Beim Menschen ist die Aussprache nass und alles liegt zunächst als Tröpfchen vor, denn in Mund, Nase und Lunge herrscht fast einhundertprozentige Luftfeuchtigkeit. In unseren Publikationen schreiben wir einfach ganz neutral von Teilchen oder Partikeln, da der Unterschied zwischen Aerosol und Tröpfchen sonst leicht zur Verwirrung führen kann. Die Ansteckungswahrscheinlichkeit hängt dabei ab vom Nassvolumen der Tröpfchen. Je größer ein Tröpfchen, desto mehr Virionen können sich darin befinden. Und weil wir über ein Volumen sprechen, steigt diese Wahrscheinlichkeit mit der dritten Potenz des Durchmessers. Die Partikel trocknen aber an der Luft sehr schnell – besonders die kleinen Tröpfchen, die keine Zeit haben, vor dem Trocknen zu Boden zu fallen. Die Virionen bleiben dabei zwischen dem Salz, Proteinen et cetera gefangen. Man muss sich ein Aerosol vorstellen wie einen LKW, der ein oder mehrere kleinste Pakete, also die Virionen, enthält.
Die Aerosole, die dann länger in der Luft schweben, bestehen also aus Proteinen und sonstigen Biomolekülen des Speichels, eventuell auch zusammen mit Viren. Doch beim Aufbau mit der Tauchermaske trocknen sie alles vor der Messung. Wie ist das dann mit den anderen Daten vergleichbar?
Bodenschatz » Wir haben in unseren Publikationen immer alles entweder auf trocken oder auf nass normiert. Dazu haben wir erstmal systematisch durchgemessen, wie sehr ein Partikel beim Trocknen in der Raumluft schrumpft. In der Literatur ging man zunächst von einem Faktor zwei aus und hat sich jetzt auf drei hochgearbeitet. Wir zeigen, aus meiner Sicht sehr überzeugend, dass wir aber einen Faktor 4,5 annehmen müssen. Das haben wir bei vielen Probanden und mithilfe verschiedener Messmethoden nachgewiesen.
Und weil das Nassvolumen der Tröpfchen eben mit der Viruslast korreliert, ist dieser Faktor sehr wichtig. Für die sehr nassen großen Teilchen gab es in der Literatur vorher keine quantitativen Daten zur Konzentration. Wenn wir getrocknete Aerosole untersuchen, rechnen wir also auf das Nassvolumen zurück, indem wir von einem Teilchen mit 4,5-fach größerem Durchmesser beim Ausatmen ausgehen.
Wir halten es für wichtig, die Aerosole trocken zu messen und nicht nass. Denn wenn die Aerosole nicht getrocknet wurden, dann gibt es bei der Messung einige, die schon getrocknet sind und andere, die noch nass sind. Damit ist die Größenverteilung nicht korrekt, die man bestimmt. Deshalb setzen wir diesen Diffusionstrockner ein, können später aber wieder auf das Nassvolumen zurückrechnen.
Wann setzen Menschen denn große Mengen an Aerosolen frei? Stimmt es, dass Singen besonders problematisch ist?
Bodenschatz » Ein Sänger produziert keine höheren Aerosolkonzentrationen als ein normaler Bürger beim Singen. Wir haben gesehen, dass die Konzentration etwa gleich ist. Natürlich spielt das Atemvolumen auch eine Rolle, und das kann beim professionellen Singen größer sein. Problematisch ist lautes Schreien, denn dabei nutzen Sie wirklich Ihr gesamtes Atemvolumen, und das dann auch noch mit einer hohen Konzentration an Teilchen. Was aber ein echter Superspreader ist: Ein Musiker mit einem Blasinstrument wie zum Beispiel der Oboe. Das ist viel schlimmer als zu singen!
Kurz vor dem Jahreswechsel haben Sie Ansteckungswahrscheinlichkeiten berechnet und dazu Daten ausgewertet von Probanden mit und ohne Maske (PNAS 118(49): e2110117118). Und Sie zeigen hier erneut, dass Masken das Ansteckungsrisiko stark reduzieren können.
Bodenschatz » Genau. Dazu möchte ich kurz auf die FFP2-Masken eingehen: Das besondere ist das PET. Wenn Sie so wollen eine Zuckerwatte aus Plastik. Dieses Material ist elektrostatisch geladen, und das macht die Magie aus. Was uns nun interessiert hat, ist die Upper Bound, also eine oberste Grenze der Ansteckungsgefahr: Was ist die höchste Ansteckungswahrscheinlichkeit, die man sich überhaupt vorstellen könnte? Und wenn es dann in diesem Modell sicher ist, ist es wahrscheinlich in der Realität noch viel sicherer.
Wenn die Person gegenüber keine Maske trägt, gehen wir davon aus, dass ich konstant in einem Atemjet von Aerosolen bin und ich mindestens anderthalb Meter weit weg bin – dann sind die ganz großen Tröpfchen schon aus dem Jet rausgefallen. Das ist natürlich eine pessimistische Annahme, weil dieser Jet sich ja verwirbelt und verdünnt. Was wir dabei sehen: Wenn beide Personen keine Maske tragen und die eine infektiös ist, dann habe ich mit Delta oder Omikron die infektiöse Dosis bereits nach wenigen Minuten erreicht, falls ich Pech habe. Ich kann diese paar Minuten auch über Stunden einsammeln, nämlich wenn ich in einem Abstand von vielleicht zwei Metern gemittelt über eine Stunde hinweg diese Atemluft abbekomme. Denn ich muss die infektiöse Virenanzahl ja nicht in einem Rutsch einatmen, sondern kann sie auch über mehrere kleine Pakete aufnehmen. Die Ansteckungswahrscheinlichkeit wird nach einer gewissen Zeit dann einfach sehr hoch.
Das bedeutet nicht, dass ich mich auch im realen Leben anstecken muss, denn es gibt ja auch noch viele andere Parameter wie das Immunsystem.
Aber durch das Tragen von Masken kann man dieses Infektionsrisiko laut Ihrer Daten gegen Null drücken.
Bodenschatz » Korrekt. Ohne Maske ist die Ansteckungswahrscheinlichkeit einfach hoch, da kann man machen, was man will. Wenn ich aber eine FFP2-Maske trage, dann kann ich mich statistisch gesehen schon hundertmal länger in der gleichen Situation aufhalten. Und dabei stellt sich die Frage: Wie wahrscheinlich ist es denn, dass ich hundert Minuten in diesem Atemkegel bleibe? Wenn also unser Modell für eine bestimmte Situation besagt, dass die Ansteckungswahrscheinlichkeit nach 20 Minuten bei 20 Prozent liegt, dann klingt das zwar viel, aber dieser Wert ist natürlich völlig überschätzt, weil die Luft der Person gegenüber auch mal nach links und rechts bläst. Und wann bin ich denn wirklich über zwanzig Minuten hinweg mit einer Person konstant auf einem engen Abstand von ein oder zwei Metern und dann noch in deren Atemluft?
Die Maske schafft die 1,5-Meter-Regel ab, weil mich die großen Tröpfchen gar nicht mehr erreichen und ich mich nur schlecht anstecken kann. Wenn zusätzlich die infizierte Person gegenüber noch eine Maske trägt, sinkt das Risiko noch mal um einen Faktor von etwa hundert. Dann lande ich plötzlich nur noch bei 0,1 Prozent Risiko über die gleiche Zeitdauer.
Ihre Daten stützen also die gängige Annahme, dass die FFP2-Maske nicht nur andere schützt, sondern auch einen wirkungsvollen Eigenschutz darstellt.
Bodenschatz » Wobei die Maske beim Ausatmen besser schützt. Und warum ist das so? Ganz einfach: Beim Ausatmen ist die Luft nass, also sind die Partikel noch groß; sie hatten ja keine Gelegenheit, zu trocknen. Große Teilchen werden effizienter gefiltert. Und die großen Teilchen enthalten, wie gesagt, auch mehr Virionen. Wenn ich also schon beim Ausatmen viele Virionen abfange, dann ist der Schutz für die anderen wirklich extrem gut. Daher: Wenn der Infizierte die FFP2-Maske trägt und der Gesunde die medizinische Maske, ist der Schutz sehr viel besser, als wenn es anders herum wäre.
Was bedeutet das in der Situation bei einem Konzert oder im Theater? Auf der Bühne wird gesungen und vielleicht sogar geschrien. Ohne Maske, eventuell mit einer großen Menge infektiöser Aerosole.
Bodenschatz » Bis die aber bei irgendjemandem im Publikum ankommen, haben sie sich bereits verdünnt. Hier sehe ich vor allem das Risiko, dass die Musiker sich gegenseitig anstecken. Wenn die sich aber getestet haben und der Test ordnungsgemäß durchgeführt ist, dann ist die Wahrscheinlichkeit ohnehin schon mal um einen Faktor Tausend geringer. Wer nämlich infiziert und im Antigen-Schnelltest trotzdem negativ ist, hat eine durchschnittlich tausendfach geringere Viruslast im Vergleich zu einem positiv Getesteten. Für das Publikum ist das eigentlich relativ harmlos. Und wenn zusätzlich noch jeder im Publikum eine Maske tragen würde, könnte man auch wieder auf die volle Auslastung in den Veranstaltungsräumen gehen. Trotzdem wird es natürlich gelegentlich zu Ansteckungen kommen, wir sprechen hier ja von Wahrscheinlichkeiten!
Wenn ich aber lange genug mit einer infizierten Person im selben Raum sitze, wird das Risiko auch mit Maske früher oder später hoch werden.
Bodenschatz » Um dieses Risiko für verschiedene Situationen auszurechnen, haben wir die HEADS-App entwickelt und online gestellt (Human Emission of Aerosol and Droplet Statistics). Prinzipiell stimmt es natürlich: Wer infiziert ist, hinterlässt in einem geschlossenen Raum eine Spur von Aerosolen. Egal ob diese Person später noch im Raum ist oder nicht. Sie können einfach überlegen: Was wäre, wenn vor mir ein Raucher an einem bestimmten Ort gewesen ist? Würde ich den Rauch noch bemerken? Das ist zum Beispiel in einem Aufzug der Fall. Wenn dort Zigarettenrauch länger in der Luft bleibt, wird das auch für Aerosole zutreffen. Also trage ich im Aufzug lieber eine Maske. Im Freien, wo der Wind bläst, spielt das natürlich keine große Rolle mehr.
Ihre Publikation in PNAS berücksichtigt ja noch nicht die Omikron-Varianten. Sie haben das aber anschließend noch mal in Ihr Modell einfließen lassen unter der Annahme, dass Omikron ansteckender ist und vor allem in den oberen Atemwegen repliziert. Mit Maske und dem Sicherheitsabstand sei das Ansteckungsrisiko bei Omikron nun sogar geringer, kommt dabei heraus. Das müssen Sie erklären.
Bodenschatz » Vielleicht ist das noch ein bisschen umstritten, dass sich die Replikation wirklich bei allen Patienten auf die oberen Atemwege beschränkt. Wir haben aber trotzdem mal unter dieser Annahme weitere Berechnungen durchgeführt und die Ergebnisse auch PNAS angeboten. Die waren leider nicht daran interessiert, diese Daten nachträglich zum Paper zu veröffentlichen. Also haben wir die Ergebnisse in einer Pressenachricht bekannt gegeben („Masken möglicherweise noch effizienter gegen Omikron“, 21.1.22).
Zur Erklärung: Es gibt eine Verteilungsfunktion für die Partikelgrößen. Aus der Lunge sind die Tröpfchen recht klein, und die können sich eben gut im Raum ausbreiten, und man steckt sich leicht an. Diese infektiösen kleinen Tropfen fehlen aber, wenn sich das Virus nur in den oberen Atemwegen vermehrt. Die großen Tropfen mit den vielen Viren bleiben wiederum in der Maske hängen, und deshalb schützt das Maskentragen bei Omikron wahrscheinlich besonders gut. In der HEADS-App ist das noch nicht berücksichtigt, wir sind gerade dabei, das zu implementieren.
Allerdings nur, wenn der Infizierte die Maske trägt. Nun ist die Maskenpflicht aber fast überall entfallen, und eine Supermarktbetreiberin kann das allenfalls noch im Rahmen ihres Hausrechts verlangen und wird damit Teile der Kundschaft vergraulen. Besonders Menschen, die durch chronische Erkrankungen ein erhöhtes Risiko für schwere Verläufe haben, dürften diese Lockerungen verunsichern.
Bodenschatz » Ich kann mich im Supermarkt aber tatsächlich so verhalten, dass ich sehr gut geschützt bin, nämlich indem ich Abstand halte von sprechenden Personen! Es wäre natürlich schön, wenn die Bediensteten dort eine Maske tragen, wenn sie mit mir reden. Falls nicht, dann sollte ich auf den Sicherheitsabstand von anderthalb Metern achten. Und dabei selbst eine Maske tragen. Die meisten Leute verstehen ja, wenn man trotzdem weiterhin eine Maske trägt. Dort, wo laut gesprochen wird, steigt das Infektionsrisiko um einen Faktor von bis zu einhundert. Doch eine leise Umgebung ist eigentlich relativ sicher. Wenn ich durch den Supermarkt gehe, dürfte die Anreicherung von Aerosolen relativ gering sein. Trage ich dabei eine Maske, bin ich gut geschützt.
Wichtig dabei ist aber, dass die Maske dicht sitzt. Wir konnten zwar zeigen, dass eine schlecht sitzende Maske immer noch besser schützt als gar keine Maske, aber richtig gut wird der Schutz, wenn man die Maske auch korrekt trägt. Biegen Sie diesen Bügel für die Nase am besten schon vor dem Aufsetzen vor, zu einer „W“-Form. Dann schaffen Sie es nach dem Aufsetzen viel besser, an Nase, Wangen und Augenhöhlen dicht abzuschließen.
Und Sie empfehlen nach wie vor, Antigen-Schnelltests zu nutzen?
Bodenschatz » Wenn wir hier größere Veranstaltungen haben, nutzen wir nach wie vor die Schnelltests und verlangen diese auch von den Besucherinnen und Besuchern. Weil die virale Last damit eben um einen Faktor 1.000 geringer wird. Das empfehlen wir daher auch in unseren Maßnahmen für einen sicheren Schulunterricht („Aktuelle Empfehlungen für die lufthygienische Infektionsprophylaxe in Schulen während der COVID-19-Pandemie“, 14.12.21, Version 1.1). Dann kommen die Masken und erst ganz zum Schluss das Lüften. Lüften gibt Ihnen vielleicht einen Faktor von zwei bis drei mehr an Sicherheit und wirkt im Vergleich zu den anderen Maßnahmen weniger.
Interview: Mario Rembold
(Fotos: Bodenschatz)
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