CFD-Simulation hilft, Luft in Räumen zu reinigen 

Innenräume – die gefährlichsten Orte während einer globalen Pandemie.

Doch wie minimiert man die Übertragung von Viren durch die Luft in Innenräumen? Ist es denkbar, dass Gebäude künftig weitestgehend leer stehen, wir uns weiterhin voneinander distanzieren oder Innenräumen meiden müssen? Die weltweite Corona-Pandemie (Covid-19) hat das Leben der Menschen auf den Kopf gestellt, Existenzen zerstört und Innenräume zu den gefährlichsten Orten der Welt gemacht.

Während Ärzte und Beschäftigte im Gesundheitswesen an vorderster Front gegen Covid-19 kämpfen, haben andere ihr Augenmerk auf eine andere Herausforderung gerichtet: Sie gehen der Frage nach, wie wir Innenräume sicherer machen können.

Die Antwort darauf ist ein neues Gerät eines 1660 gegründeten Unternehmens. Es basiert auf einem 1896 entdeckten Phänomen und wurde vollständig mithilfe digitaler Simulation von Siemens entwickelt. Soluva heißt der neue Ultraviolett(UV)-Luftreiniger, der 99,99 % der SARS-CoV-2-Corona-Viren in der Luft abtötet.

Ein Unternehmen mit dem treffenden Namen Heraeus Noblelight ist der Hersteller von Soluva. Heraeus wurde 1660 als Apotheke gegründet und ist weltweit für seine Lampen, Strahler und Desinfektionsprodukte bekannt. Licht, ob UV, Infrarot oder im Mittelwellenbereich, steht im Mittelpunkt der Geschäftstätigkeit des Unternehmens. Als das Corona-Virus über Europa hereinbrach und das öffentliche Leben in den Ländern heruntergefahren wurde, wusste Heraeus gleich, dass ihr Know-how im Bereich UV-Strahlung helfen kann. Die Frage war nur wie?

„UV-Licht wird zur Abtötung von Bakterien und Viren eingesetzt, seit Nobelpreisträger Niels Finsen das Phänomen 1896 entdeckt hat“, sagt Larisa von Riewel, Teamleiterin Computer Aided Engineering (CAE) bei Heraeus Nobleligt. „Normalerweise stellen wir kundenspezifische UV-Systeme her. Aber für die Bekämpfung der Übertragung von Corona-Viren in Innenräumen war ein völlig neues Gerät erforderlich. Ein Gerät, das mithilfe von UV-C-Licht das Virus abtöten kann.“

UV-C-Licht (200 - 280 nm) von der Sonne dringt im Gegensatz zu UV-A- und UV-B-Strahlen nicht durch die Atmosphäre. Künstlich erzeugte UV-C-Strahlung tötet Viren am wirksamsten ab. Dieses UV-C-Licht (bei einer Wellenlänge von 254 nm) ist das Herzstück von Soluva. Ein Ventilator saugt Luft an einer Seite in das Gerät hinein, die von einer Lampe ausgestrahlte UV-C-Strahlung tötet die in der angesaugten Luft enthaltenen Viren ab und die gereinigte Luft strömt wieder aus dem Gehäuse hinaus.

Heraeus stellte ein 60-köpfiges Team aus Ingenieuren, Konstrukteuren und Simulationsexperten zusammen, um das neue Gerät für Räume, Büros, Verkehrsmittel und öffentliche Räume zu konzipieren. Höchstens sechs Monate sollten verstreichen von der Idee bis zur Auslieferung.

„Unsere größte Herausforderung war die Sicherheit. UV-C ist für den Menschen schädlich, deshalb darf es das System nicht verlassen“, sagt Dörte Eggers, Simulation Engineer bei Heraeus Noblelight. „Außerdem muss die Luft lange genug im System verbleiben, damit die UV-C-Dosis das Virus abtöten kann. Wenn sie zu früh wieder ausströmt, bleibt das Virus aktiv.“

Für ein sicheres, effizientes und geräuscharmes Gerät setzte Heraeus Noblelight auf die Multiphysik-Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulation mit Simcenter. Vor dem Bau eines jeden Produkts – sei es ein Flugzeug, ein Auto, ein Schiff oder selbst ein Brutkasten für Neugeborene – nutzen Ingenieure CFD-Simulationen, um das Strömungs-, Wärme-, Struktur- und sonstiges Produktverhalten virtuell vorherzusagen. Das Team bei Heraeus Noblelight verwendete Simcenter STAR-CCM+, die Multiphysik-CFD-Simulationssoftware, um die Geräteleistung zu optimieren und die Luftströmung und Tröpfchen-Transmission im UV-C-Reiniger zu analysieren. Sie verwendeten auch das CAD-eingebettete Tool Simcenter FLOEFD für eine rasche Analyse der Luftströmung in einem Bus, in dem das Gerät eingebaut ist.

„Die CFD-Simulation mit der Software Simcenter STAR-CCM+ war das Rückgrat der Entwicklung von Soluva“, sagt Larisa von Riewel. „Es ist viel einfacher, die Leistung in der virtuellen Umgebung zu modellieren als dies in der realen Welt zu tun. Dank der präzisen Simulation mit Simcenter STAR-CCM+ haben wir viele Produktionsschritte gespart und Soluva in sechs Monaten realisieren können.“

„Simcenter STAR-CCM+ hat uns geholfen, das beste Gehäuse- und Lüfterdesign zu entwickeln, die Leistung für verschiedene Räume und Wandpositionen zu simulieren, den Geräuschpegel zu optimieren und sicherzustellen, dass die Luft und die Partikel lange genug im System bleiben“, sagt Dörte Eggers. „Eine Monte-Carlo-Wahrscheinlichkeitsmethode ergab, dass das Gerät eine ausreichende UV-C-Dosis hat, um 99,99 % des Virus zu inaktivieren.“

Dörte Eggers simulierte sogar Hustentröpfchen einer infizierten Person in einem Büro und in einem Klassenzimmer, um den Wirkungsgrad von Soluva zu testen. Innerhalb von sechs Monaten hat das Team sieben verschiedene Soluva-Varianten entwickelt, die alle virtuell mit CFD konzipiert wurden.

„Wir standen unter großem Zeitdruck“, berichtet Larisa von Riewel. „Das virtuelle Modellieren von Husten war für uns neu. Aber Siemens hat ein Webinar mit Airbus über die gemeinsame Forschung zur Husten-Modellierung abgehalten. Diese Forschung half uns, die Übertragungswahrscheinlichkeit in einem Raum zu berechnen.“

Vertrieb und Support von Siemens haben ebenfalls maßgeblich zur erfolgreichen Markteinführung von Soluva beigetragen. „Unser Dedicated Support Engineer, Paco Ezquerra, hat uns sehr geholfen, die Physik von Husten korrekt zu modellieren“, ergänzt Dörte Eggers.

Der eigentliche „Test“ des virtuellen Designs war natürlich die praktische Erprobung. Das Heraeus-Team testete Soluva in experimentellen Prüfungen der Universität Tübingen, des Hygieneinstituts biotec GmbH und des Frauenhofer Instituts. Die Tests, bei denen sowohl Surrogate als auch ein echter Virus verwendet wurden, bestätigten die Wirksamkeit des UV-C-Geräts. In fünf bis sechs Minuten eliminierte Soluva 99,99 % der Viren in einem leeren Raum, ohne dass Rückstände von schädlichem Ozon festgestellt wurden.

Das Gerät kann in weniger als zwei Stunden installiert und in Betrieb genommen werden. Die Stadt Hanau war die erste Stadt, die Soluva in ihren Linienbussen eingesetzt hat. Hier verwendete Heraeus Noblelight Simcenter FLOEFD, um die Luftströmung im Bus vor dem Einbau des Geräts schnell zu analysieren. „Ich finde Simcenter FLOEFD sehr praktisch für schnelle Berechnungen, die wir durchführen mussten, um das Gerät schnell in den Bus einzubauen“, erklärt Larisa von Riewel.

Mit Handgeräten sowie wand- und deckenmontierten Varianten bietet Soluva nun eine effektive, flexible UV-Desinfektion etwa für öffentliche Verkehrsmittel, Krankenhäuser, Büroräume und Schulen.

Die üblichen Sicherheitsvorkehrungen wie das Tragen von Masken, die Einhaltung von Abständen und Händewaschen sind weiterhin erforderlich. Aber innerhalb von sechs Monaten hat uns Heraeus Noblelight unterstützt von Simcenter STAR-CCM+ einen Schritt näher an das gebracht, wonach wir uns alle sehnen: sichere Innenräume und ein Stück Normalität in unserem Leben.
April 2021
Autor: Prashanth Shankara Shastrigal