Luftstromvideos zeigen deutlich, warum Masken mit Ausatemventil die Ausbreitung von COVID nicht verlangsamen

Von National Institute of Standards And Technology (NIST), 10. November 2020

Dieses mit einem Schlieren-Bildgebungssystem erstellte Video zeigt die Luftströmungsdynamik beim Tragen einer N95-Maske mit Ausatemventil (links) und ohne Ausatemventil. Das Ventil ist so konzipiert, dass die Luft ungefiltert entweichen kann. Masken mit Ventilen verlangsamen die Ausbreitung von COVID nicht und sollten laut CDC nicht zu diesem Zweck getragen werden. Bildnachweis: Matthew Staymates/NIST

Many people wear masks in public to slow the spread of COVID-19First identified in 2019 in Wuhan, China, COVID-19, or Coronavirus disease 2019, (which was originally called "2019 novel coronavirus" or 2019-nCoV) is an infectious disease caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). It has spread globally, resulting in the 2019–22 coronavirus pandemic." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> COVID-19, wie von den Centers for Disease Control and Prevention (CDC) empfohlen. Allerdings verlangsamen Masken mit Ausatemventil die Ausbreitung der Krankheit nicht, und jetzt zeigen neue Videos des National Institute of Standards and Technology (NIST), warum.

The videos, which show airflow patterns through masks with and without exhalation valves, were created by NIST research engineer Matthew Staymates. The videos were published, along with an accompanying research article, in the journal Physics of FluidsPhysics of Fluids is a monthly peer-reviewed scientific journal devoted to publishing original theoretical, computational, and experimental contributions to the understanding of the dynamics of gases, liquids, and complex or multiphase fluids. Established by the American Institute of Physics in 1958, Physics of Fluids is a preeminent journal covering fluid dynamics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Physik der Flüssigkeiten.

Dieses mithilfe einer Lichtstreuungstechnik erstellte Video zeigt die Luftströmungsdynamik beim Tragen einer N95-Maske mit Ausatemventil (links) und ohne Ausatemventil (Mitte). Masken mit Ventilen verlangsamen die Ausbreitung von COVID nicht und sollten laut CDC nicht zu diesem Zweck getragen werden. Bildnachweis: Matthew Staymates/NIST

„Wenn man die Videos nebeneinander vergleicht, ist der Unterschied auffällig“, sagte Staymates. „Diese Videos zeigen, wie die Ventile Luft aus der Maske entweichen lassen, ohne sie zu filtern, was den Zweck der Maske zunichte macht.“

Wenn die Maske den Träger schützen soll, sind Ausatemventile sinnvoll, die das Atmen durch Masken erleichtern und den Tragekomfort erhöhen. Ventilmasken können beispielsweise Arbeiter auf einer Baustelle vor Staub oder Krankenhausmitarbeiter vor infizierten Patienten schützen.

The masks that the CDC recommends for slowing the spread of COVID, however, are mainly meant to protect people other than the wearer. They slow the spread of the disease by capturing exhaled droplets that might contain the virusA virus is a tiny infectious agent that is not considered a living organism. It consists of genetic material, either DNA or RNA, that is surrounded by a protein coat called a capsid. Some viruses also have an outer envelope made up of lipids that surrounds the capsid. Viruses can infect a wide range of organisms, including humans, animals, plants, and even bacteria. They rely on host cells to replicate and multiply, hijacking the cell's machinery to make copies of themselves. This process can cause damage to the host cell and lead to various diseases, ranging from mild to severe. Common viral infections include the flu, colds, HIV, and COVID-19. Vaccines and antiviral medications can help prevent and treat viral infections." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Virus. Auch Menschen ohne Symptome sollten laut CDC Masken tragen, da es möglich sei, sich anzustecken, aber keine Symptome zu zeigen.

„Ich trage keine Maske, um mich selbst zu schützen. Ich trage sie, um meinen Nachbarn zu schützen, weil ich möglicherweise asymptomatisch bin und das Virus verbreite, ohne es überhaupt zu wissen“, sagte Staymates. „Aber wenn ich eine Maske mit Ventil trage, helfe ich nicht.“

Staymates ist ein Experte für Strömungsvisualisierungstechniken, die es ihm ermöglichen, die Bewegung der Luft mit der Kamera einzufangen. Seine übliche Forschung umfasst neue Technologien zur Erkennung von Sprengstoffen und Betäubungsmitteln auf Flughäfen und Schifffahrtsanlagen, indem er Spuren dieser Materialien in der Luft aufspürt. Kürzlich wandte er sein Fachwissen den Masken zu, um bei der Entwicklung neuer Methoden zur Messung und Verbesserung ihrer Leistung zu helfen.

Staymates hat zwei Videos mit unterschiedlichen Techniken zur Flussvisualisierung erstellt. Das erste Video wurde mit einem sogenannten Schlieren-Bildgebungssystem erstellt, das Unterschiede in der Luftdichte auf der Kamera als Muster aus Schatten und Licht sichtbar macht.

Mit einem Schlieren-Bildgebungssystem wird die ausgeatmete Luft sichtbar, da sie wärmer und daher weniger dicht ist als die Umgebungsluft. Dieses Video zeigt nur die Bewegung der Luft selbst, nicht die Bewegung ausgeatmeter Tröpfchen in der Luft. Auf der linken Seite trägt Staymates eine N95-Atemschutzmaske mit Ventil, das die ausgeatmete Luft ungefiltert in die Umgebung strömen lässt. Auf der rechten Seite gibt es kein Ventil und die Luft strömt durch die Maske, die die meisten Tröpfchen herausfiltert.

Staymates hat das zweite Video mithilfe einer Lichtstreuungstechnik erstellt.

Für das zweite Video baute Staymates einen Apparat, der Luft mit der gleichen Geschwindigkeit und dem gleichen Tempo ausstößt wie ein ruhender Erwachsener, und schloss dieses Gerät dann an eine Schaufensterpuppe an. Als Ersatz für ausgeatmete Tröpfchen trägt die Luft Wassertröpfchen in verschiedenen Größen, die typisch für die Tröpfchen sind, die Menschen beim Ausatmen, Sprechen und Husten ausstoßen. Ein hochintensives LED-Licht hinter der Schaufensterpuppe beleuchtet die in der Luft befindlichen Tröpfchen, wodurch sie das Licht streuen und hell auf der Kamera erscheinen.

Im Gegensatz zum Schlierenvideo zeigt dieses Video die Bewegung von Tröpfchen in der Luft. Links entweichen Tröpfchen ungefiltert durch das Ventil einer N95-Maske. In der Mitte gibt es kein Ventil und es ist kein Atem zu sehen, da die Maske die Tröpfchen herausgefiltert hat. Rechts wird keine Maske getragen.

Der Einsatz einer Schaufensterpuppe und eines mechanischen Atemgeräts ermöglichte es Staymates, Luftströmungsmuster zu beobachten und dabei die Atemfrequenz, den Luftdruck und andere Variablen konstant zu halten.

Darüber hinaus können die durch Lichtstreuung erzeugten Videos von einem Computer auf eine Weise analysiert werden, die bei Schlierenbildern nicht möglich ist. Staymates schrieb einen Computercode, der die Anzahl der hellen Pixel im Video berechnete und daraus abschätzte, wie viele Tröpfchen sich in der Luft befanden. Dies ist kein echtes Maß für die Anzahl der Tröpfchen, da zweidimensionale Videos nicht erfassen können, was im gesamten dreidimensionalen Luftvolumen geschieht. Die resultierenden Zahlen liefern jedoch Trends, die analysiert werden können, um die Luftstromdynamik verschiedener Maskentypen besser zu verstehen.

Dieses Forschungsprojekt untersuchte nur einen Typ von Ventilmasken; Verschiedene Arten von Ventilmasken weisen eine unterschiedliche Leistung auf. Außerdem kann bei Masken, die nicht eng anliegen, etwas Luft um die Maske herum entweichen, anstatt durch die Maske zu filtern. Dies kann auch die Leistung der Maske beeinträchtigen.

Aber die Hauptwirkung von Ventilen ist in diesen Videos sichtbar. Staymates hofft, dass die Videos den Menschen helfen, auf einen Blick zu verstehen, warum Masken, die die Ausbreitung von COVID-19 verlangsamen sollen, keine Ventile haben sollten.

Referenz: „Flussvisualisierung eines N95-Atemschutzgeräts mit und ohne Ausatemventil mithilfe von Schlieren-Bildgebung und Lichtstreuung“ von Matthew Staymates, 10. November 2020, Physics of Fluids.DOI: 10.1063/5.0031996