Entwicklung eines Systems zur experimentellen Simulation der Atmung von Passagieren

Abstract

In dieser Arbeit wird ein mobiles menschliches Atemsimulationssystem entwickelt und getestet, welches die Funktionen der Thermischen Menschmodelle am Deutschen Zentrum für Luftund Raumfahrt (DLR) zur Untersuchung von Kabinenströmungen und Thermischem Komfort von Passagieren ergänzen soll. Thermische Menschmodelle simulieren hierbei die Geometrie und Wärmezufuhr einer realen Person, sowohl durch Wäremestrahlung und Wärmeleitung, als auch durch natürliche Konvektion, angetrieben durch den Temperatur- und Dichtegradienten der Luft nahe des Modells. Auf diese Strömung hat auch die menschliche Atmung einen Einfluss, die mit dem zu entwickelnden System möglichst präzise simuliert werden soll. Eine weitere wichtige Funktion des mobilen Atemsimulationssystems ist die genaue Dosierung des bei der menschlichen Atmung produzierten Atemgases CO2. Es wirkt sich nachweislich auf die Konzentrationsfähigkeit und Produktivität des Menschen aus und moderne Belüftungssysteme, wie sie in Zügen oder Büros installiert sind, stellen den Frischluftanteil oft anhand dieses Parameters ein. Die Ergebnisse einer Literaturrecherche zeigen die grundlegenden Eigenschaften der menschlichen Atmung und bisherige experimentelle und numerische Arbeiten zu Atemsimulationssystemen auf. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse fließen in den Entwicklungsprozess mit ein. Zu den Funktionen des Systems gehört das Einatmen, Analysieren der Atemluft, Anreichern der Luft mit Kohlendioxid (CO2) und anschließendem Ausatmen der Luft. Außerdem wird eine detaillierte menschliche Gesichtsmimik konstruiert und mittels 3D-Druck-Verfahren hergestellt, welche die menschliche Atmung durch die Nase hinsichtlich des Strömungsprofils beim Einund Ausatmen nachbildet, und mit einem Schlauch an das Atemsystem angeschlossen wird. Mit einem Spurengasmesssystem, dass an das experimentelle Atemsystem angeschlossen werden kann, kann die Ausbreitung der simulierten Atemgase und somit auch die Ausbreitung von Krankheitserregern wie dem neuen COVID-19 Virus, das sich über Aerosole in der Atemluft verbreitet, untersucht werden. Das Atemsystem wird schließlich in einem generischen Zuglabor an einem thermischen Menschmodell installiert und die erzeugte Atemströmung und Verteilung des CO2 durch die experimentelle Atmung im Zugabteil wird untersucht. Dabei werden auch die Eigenschaften der verbauten Sensoren, welche den Volumenstrom des Atemsystems und den CO2-Gehalt, die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit der inhalierten Luft analysieren, überprüft. Das System erzeugt ein realistisches sinusfömiges Atemprofil durch die Nase, dass dem eines Menschen gleicht und dosiert die gewünschte Menge CO2 über ein Magnetventil in den Balgzylinder, welcher die menschliche Lunge simuliert. Die künstlich erzeugte CO2-Verteilung im generischen Zuglabor unterschied sich jedoch von der eines realen Menschen. Detailliertere Studien zu vorherrschenden Strömung der Kabinenluft können möglicherweise mehr Einblick verschaffen. Das Atemsystem kann ebenfalls einen Anstieg des CO2-Gehaltes durch einen Menschen auf dem benachbarten Sitzplatz detektieren.