Aerodynamischer Durchmesser

Der aerodynamische Durchmesser ist eine abstrakte Hilfsgröße^[1] zur Beschreibung des Verhaltens eines gasgetragenen Partikels in der Partikelmesstechnik.

Der aerodynamische Durchmesser ist definiert als der Durchmesser eines kugelförmigen Partikels mit der Dichte 1 g/cm³, der dieselbe Sinkgeschwindigkeit aufweist wie das zu betrachtende Partikel.^[2][3][4] In der Standardisierung wird häufig noch erwähnt, dass die Sinkgeschwindigkeit des zu betrachtenden Partikels auf ruhende Luft zu beziehen ist.^[2][3]

Mithilfe des aerodynamischen Durchmessers wird nicht nur die geometrische Größe des Partikels berücksichtigt, sondern auch seine Dichte und Form,^[5] da nur bei der Kondensation aus der Gasphase von sphärischen Partikeln ausgegangen werden kann.^[6]

Für Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser kleiner als 0,5 µm empfiehlt die Norm DIN ISO 7708:1996-01 die Verwendung des Partikeldiffusionsdurchmessers, der den Durchmesser einer Kugel beschreibt, die den gleichen Diffusionskoeffizienten aufweist wie das betrachtete Partikel.^[2] Diese Einschränkung muss vorgenommen werden, da das Gesetz von Stokes von der Modellvorstellung ausgeht, dass die Relativgeschwindigkeit eines Fluids am Rand eines Partikels gleich Null ist. Diese Annahme gilt jedoch nicht für Partikel, die nicht wesentlich größer als die mittlere freie Weglänge des sie umgebenden Gases sind.^[7][8]

Der aerodynamische Durchmesser wird u. a. bei den Konventionen über einatembare, thorakale und alveolengängige Fraktion angewendet.^[2] Ebenso werden die Feinstaubkorngrößenklassen für PM₁₀ bzw. PM_2.5 über den aerodynamischen Durchmesser definiert.^[7]

Messtechnisch werden aerodynamische Durchmesser über Flugzeitspektrometer^[9] oder elektrische Niederdruckimpaktoren (ELPI)^[10] erfasst.

Medizinisch ist der aerodynamische Durchmesser von Partikeln bedeutsam für die inhalative Therapie, da nur deren optimale Größe das Verbleiben am gewünschten Wirkort sicherstellt (siehe unten). Zur Vermessung von Inhalaten können unterschiedliche Impaktoren eingesetzt werden,^[11] neben dem Andersen-Kaskadenimpaktor wird heutzutage bevorzugt der Next-Generation-Impactor (NGI) verwendet.

Parametrisiert werden Größenverteilungen des aerodynamischen Durchmessers häufig über den Mass Median Aerodynamic Diameter (MMAD), also den medianen massenbezogenen aerodynamischen Durchmesser. Der MMAD ist somit derjenige Durchmesser, bei dem Partikel kleiner bzw. größer als dieser Wert jeweils 50 % der Gesamtmasse beitragen und damit ein Maß für die durchschnittliche Größe eines Partikels.

Für die inhalative Therapie spielt der MMAD eine große Rolle. Während Partikel mit einem MMAD von 10 μm aufgrund ihrer Trägheit schon am Rachen abgeschieden (impaktieren) werden, sind Partikel zwischen 0,1 μm und 1,0 μm zu leicht und werden wieder ausgeatmet aufgrund von Diffusionsprozessen durch die Brown’sche Molekularbewegung. Partikelgrößen zwischen 1 und 5 μm sedimentieren/lagern sich in der Lunge (respiratorisches System) ab.^[12]

1. ↑ Sheldon Kay Friedlander: Smoke, Dust, and Haze - Fundamentals of Aerosol Dynamics. John Wiley & Sons, New York 1977, ISBN 0-471-01468-0, S. 164.
2. ↑ ^{a b c d} DIN ISO 7708:1996-01 Luftbeschaffenheit - Festlegung von Partikelgrößenverteilungen für die gesundheitsbezogene Schwebstaubprobenahme (ISO 7708:1995). Beuth Verlag, Berlin, S. 3.
3. ↑ ^{a b} VDI 3867 Blatt 1:2009-09 Messen von Partikeln in der Außenluft - Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration und Anzahlgrößenverteilung von Aerosolen - Grundlagen (Measurement of particulate matter in ambient air - Determination of the particle number concentration and number size distribution of aerosols - Fundamentals). Beuth Verlag, Berlin. S. 3.
4. ↑ James H. Vincent: Aerosol Sampling - Science, Standards, Instrumentation and Applications. John Wiley & Sons, Chichester 2007, ISBN 978-0-470-02725-7, S. 27.
5. ↑ James H. Vincent: Aerosol Sampling - Science, Standards, Instrumentation and Applications. S. 4.
6. ↑ Sheldon Kay Friedlander: Smoke, Dust, and Haze - Fundamentals of Aerosol Dynamics. S. 6.
7. ↑ ^{a b} DIN EN ISO 23210:2009-12 Emissionen aus stationären Quellen - Ermittlung der Massenkonzentration von PM10/PM2,5 im Abgas - Messung bei niedrigen Konzentrationen mit Impaktoren (ISO 23210:2009); Deutsche Fassung EN ISO 23210:2009. Beuth Verlag, Berlin. S. 6.
8. ↑ William C. Hinds: Aerosol Technology. John Wiley & Sons, New York 1982, ISBN 0-471-08726-2, S. 43.
9. ↑ VDI 3867 Blatt 5:2013-11 Messen von Partikeln in der Außenluft - Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration und Anzahlgrößenverteilung von Aerosolen - Flugzeitspektrometer (Measurement of particles in ambient air - Determination of the particle number concentration and particle size distribution of aerosols - Time-of-flight spectrometer). Beuth Verlag, Berlin. S. 3 (Memento vom 18. April 2015 im Internet Archive).
10. ↑ VDI 3867 Blatt 6:2012-12 Messen von Partikeln in der Außenluft - Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration und Anzahlgrößenverteilung von Aerosolen - Elektrischer Niederdruckimpaktor (ELPI) (Measurement of particles in ambient air - Determination of the particle number concentration and number size distribution of aerosols - Electrical Low Pressure Impactor (ELPI)). Beuth Verlag, Berlin. S. 3.
11. ↑ European Pharmacopoeia 9.0, Volume I, Kapitel 2.9.18 «Preparations for inhalation: Aerodynamic assessment of fine particles». EDQM Council of Europe.
12. ↑ Gerhard Scheuch, Martin J. Kohlhaeufl, Peter Brand, Rüdiger Siekmeier: Clinical perspectives on pulmonary systemic and macromolecular delivery. In: Advanced Drug Delivery Reviews (= Challenges and Innovations in Effective Pulmonary Systemic and Macromolecular Drug Delivery). Band 58, Nr. 9–10, 31. Oktober 2006, S. 996–1008, doi:10.1016/j.addr.2006.07.009 (sciencedirect.com [abgerufen am 22. Dezember 2016]).