Wenn Musikinstrumente Menschen wären, wären Trompeten Superspreizer. Wenn ein Trompeter in das Mundstück bläst, treten winzige Atemtröpfchen, sogenannte Aerosole, aus dem Mund des Musikers, sausen durch das Messingrohr und sprühen in die Luft.
Während einer tödlichen Pandemie, wenn ein Musiker unwissentlich ein infektiöses Virus ausatmet, stellt dies ein potenzielles Problem für Orchester dar. Und die Trompete ist nicht das einzige musikalische Gesundheitsrisiko.
„Windinstrumente sind wie Maschinen, um Atemtröpfchen zu vernebeln“, sagt Tony Saad, Chemieingenieur und Experte für numerische Strömungsmechanik an der University of Utah.
Eine einfache, aber radikale Änderung – die Neuordnung der Musiker – könnte die Aerosolbildung auf der Bühne deutlich reduzieren, berichteten Dr. Saad und seine Kollegen in einer neuen Studie, die am Mittwoch in Science Advances veröffentlicht wurde.
Die Arbeit begann im vergangenen Sommer, als sich die Utah Symphony zu fragen begannen, ob und wie sie sicher wieder auftreten könnten.
„Sie suchten nach Leuten, die Einblicke in Minderungsstrategien geben konnten, an die die Leute etwas glauben würden.“ sagte James Sutherland, ein Chemieingenieur an der University of Utah und Mitautor der Studie.
Die Forscher erstellten ein detailliertes Computermodell des Konzertsaals der Symphonie und notierten die Position jeder Lüftungsöffnung und die Luftstromrate durch das HLK-System.
Dann kartierten sie die typische Position jedes Musikers. Das Utah Symphony, wie die meisten modernen Orchester, positionierte seine Musiker in einem Standardmuster, mit den Saiteninstrumenten an der Vorderseite der Bühne, gefolgt von mehreren Reihen von Holz- und Blechblasinstrumenten – den Flöten und Oboen, dann den Fagotten und Klarinetten und dann die Trompeten und Waldhörner. Die Posaunen und das Schlagzeug wurden ganz hinten auf der Bühne positioniert.
Um die Ausbreitung von Aerosolen während eines Konzerts zu modellieren, haben sie neueste Forschungen unter der Leitung von Jiarong Hong, einem Maschinenbauingenieur an der University of Minnesota, einbezogen. In Zusammenarbeit mit dem Minnesota Orchestra hatten Dr. Hong und seine Kollegen die Konzentration und Größe der von verschiedenen Blasinstrumenten emittierten Aerosolpartikel gemessen. (Unter ihren Ergebnissen: Trompete, Bassposaune und Oboe stellten das höchste Risiko dar.)
Mit diesen Parametern verwendeten Dr. Saad und Dr. Sutherland sogenannte Computational Fluid Dynamics Simulationen, um zu modellieren, wie die Luft und Aerosole durch die Konzerthalle von Utah strömen würden, wenn alle Musiker spielten.
Die Simulation ergab komplexe Luftströmungsmuster. Im Allgemeinen strömte die Luft von den Zuluftöffnungen in der Decke nach unten zu den Luftrückführungsöffnungen im Boden im hinteren Teil der Bühne. Aber es bildeten sich auch zwei unterschiedliche Wirbel, vorne und hinten auf der Bühne, fanden sie. „Sie sehen diese großen Regionen, die wie ein großer Tornado zirkulieren“, sagte Dr. Saad.
Aerosole können sich in diesen Wirbeln verfangen, um die Bühne herumwirbeln und sich mit der Zeit aufbauen.
Ein besonderes Problem stellten die Trompeten dar, die große, konzentrierte Aerosolwolken aussendeten. Als die Aerosolfahnen der Instrumente zu den Lüftungsschlitzen im hinteren Teil der Bühne wanderten, passierten sie direkt die Atemzone der Schlagzeuger.
“Wir haben das gesehen und gesagt: ‘Okay, das ist ein großes Problem, wir müssen es lösen'”, sagte Dr. Sutherland. „Und angesichts der Einsicht, die wir hatten, wie sich der Fluss bewegte, sagten wir: ‚Nun, lasst uns einige dieser Instrumente verschieben.’“
Sie wussten, dass die Idee umstritten sein könnte; Orchester sind seit Jahrzehnten in der Regel gleich arrangiert, sowohl aus akustischen als auch aus traditionellen Gründen. „Wir haben sie zu Beginn des Projekts gefragt: ‚Mit welchen Einschränkungen müssen wir arbeiten? Können wir Leute bewegen?’“, sagte Dr. Sutherland. “Und sie sagten: ‘Du tust alles, was du für möglich hältst, um das Risiko zu mindern.'”
Sie verlegten die Trompeten ganz nach hinten auf die Bühne, direkt neben die Luftrückführungen. Dann verlagerten sie die anderen Blasinstrumente aus der Mitte der Bühne und bewegten sie entweder näher an die hinteren Lüftungsschlitze oder an die Bühnentüren, die sie zu öffnen vorschlugen.
Diese Bewegungen, so hoffte das Team, würden es den Aerosolen ermöglichen, direkt aus dem Konzertsaal zu strömen, ohne durch die Atemzonen anderer Musiker zu gelangen oder in einen Wirbel auf der Bühne zu geraten. „Sie möchten, dass der Raucher nah am Fenster sitzt“, sagte Dr. Saad. “Genau das haben wir hier gemacht.”
Schließlich rückten sie die Instrumente, die überhaupt keine Aerosole erzeugen – das Klavier und die Percussion-Sektion – in die Mitte der Bühne. Zusammen reduzierten diese Optimierungen die durchschnittliche Aerosolkonzentration in den Atemzonen der Musiker um das Hundertfache, berechneten die Forscher.
Obwohl die genauen Luftströmungsmuster an jedem Veranstaltungsort unterschiedlich sein werden, sollten die allgemeinen Prinzipien überall gelten, sagte das Team. Orchester können das Risiko einer Aerosolausbreitung verringern, indem sie die Instrumente mit dem höchsten Risiko in der Nähe offener Türen und Luftrückführungsöffnungen positionieren. (Orchester, die keine eigene Computermodellierung durchführen können, könnten eine Nebelmaschine auf die Bühne stellen und verfolgen, wie der Nebel fließt, schlugen die Forscher vor.)
Dr. Hong, der nicht an der Utah-Studie beteiligt war, lobte die Modellierungsarbeit. „Es ist nicht einfach, den Fluss in einem Orchestersaal zu simulieren“, sagte er. „Sie haben schöne Arbeit geleistet, wenn es um die Charakterisierung des Flusses geht.“
Aber er fragte sich, ob der Umzug von Musikern wirklich eine praktikable Lösung sei. „Wir arbeiten eng mit Musikern zusammen, und sie mögen es nicht, neu arrangiert zu werden“, sagte er. (Er merkte jedoch an, dass „für eine Studentenband das finde ich völlig in Ordnung.“)
Stattdessen schlug er eine andere, wenn auch ebenso unkonventionelle Lösung vor: Masken für die Instrumente. In einer kürzlich durchgeführten Studie fand er heraus, dass das Bedecken des Schallstücks einer Trompete mit einer einzigen Lage Akustikstoff die Partikelemissionen um etwa 60 Prozent reduzieren kann, ohne die Klangqualität zu beeinträchtigen.
Das Utah Symphony wiederum zeigte sich offen dafür, die Bestuhlung zu überdenken. Und als es im letzten Herbst die Bühne betrat, tat es das mit geöffneten Bühnentüren und den Blasinstrumenten im Heck.
„Das war eine große Herausforderung für die Musiker“, sagte Steven Brosvik, Präsident und Geschäftsführer des Utah Symphony und der Utah Opera. “Aber alle haben sich darauf eingelassen und gesagt: ‘Los, lass es uns versuchen.'”
Es dauerte einige Wochen, bis sich die Musiker mit der neuen Anordnung vertraut gemacht hatten, und sie planen, im Herbst zu ihrer traditionellen Sitzkonfiguration zurückzukehren, sagte Brosvik. Aber die Simulationen gaben den Musikern Sicherheit und ermöglichten es ihnen, wieder auf die Bühne zu gehen, sagte er: “Für uns hat es das Leben verändert.”
Die Forscher freuten sich über die Bereitschaft der Musiker, eine ungewöhnliche Lösung anzunehmen, obwohl ihre Ergebnisse einige Instrumentalisten möglicherweise härter getroffen haben als andere. Wie Dr. Sutherland sagte: “Wir mussten uns im Voraus bei den Trompeten entschuldigen.”