Matthew Stamats testet verschiedene Masken. Quelle: NIST
Viele Menschen tragen in der Öffentlichkeit Masken, um die Verbreitung von COVID-19 gemäß den Richtlinien der Zentren für die Kontrolle und Prävention von Krankheiten zu verlangsamen. Masken mit Ausatemventilen verlangsamen jedoch nicht die Ausbreitung der Infektion. Neue Videos des US National Institute of Standards and Technology (NIST) zeigen, warum.
Das Video zeigt den Luftstrom durch Masken mit und ohne Ausatemventile. Die Materialien wurden vom NIST-Forschungsingenieur Matthew Stamats erstellt. Die Videos werden zusammen mit einem begleitenden Forschungsbericht in der Zeitschrift Physics of Fluids veröffentlicht .
"Wenn Sie Videos nebeneinander vergleichen, fällt der Unterschied auf", sagte Staymats. "Diese Videos zeigen, wie die Ventile Luft aus der Maske entweichen lassen, ohne sie zu filtern, was dem Wesen der Maske widerspricht."
Die Ausatemventile erleichtern und erleichtern das Atmen durch die Maske. Sie sind geeignet, wenn die Maske den Benutzer selbst schützen soll. Zum Beispiel schützen Masken mit Ventilen Arbeiter vor Staub auf einer Baustelle oder Krankenhauspersonal vor infizierten Patienten.
Die Masken, die empfohlen werden, um die Ausbreitung von COVID-19 zu verlangsamen, dienen in erster Linie dem Schutz von Personen in der Umgebung des Trägers. Sie fangen ausgeatmete Tröpfchen ein, die das Virus enthalten können, und verlangsamen so die Ausbreitung der Infektion. Experten zufolge sollten auch Menschen ohne Symptome Masken tragen, da sie die Krankheit asymptomatisch übertragen können.
Dieses mit einem Schlieren-Bildgebungssystem erstellte Video zeigt die Luftströmungsdynamik für die N95-Maske mit Ausatemventil (links) und die Maske ohne Ausatemventil. Die Luft strömt ungefiltert durch das Ventil. Ventilmasken verlangsamen die Ausbreitung von COVID nicht und sollten zu diesem Zweck nicht getragen werden. Quelle: Matthew Stamats / NIST.
"Ich trage keine Maske, weil ich mich schützen möchte. Ich trage es, um die Person neben mir zu schützen, weil ich ein asymptomatischer Patient sein und das Virus verbreiten kann, ohne es zu wissen, sagte Staymats. "Aber wenn ich eine Maske mit einem Ventil trage, helfe ich der Situation nicht."
Staymats ist ein Experte für Flow Imaging-Techniken, mit denen er Luftbewegungen mit der Kamera erfassen kann. Normalerweise arbeitet er an neuen Technologien, um Sprengstoffe und Drogen an Flughäfen und Terminals zu entdecken, und schnüffelt buchstäblich Spuren dieser Materialien in der Luft. Vor kurzem hat Staymats Masken aufgenommen, um neue Methoden zur Messung und Verbesserung ihrer Wirksamkeit zu entwickeln.
Staymats hat zwei Videos aufgenommen und verschiedene Flow-Rendering-Techniken verwendet. Das erste Video wurde mit dem sogenannten Schlieren-Imaging-System erstellt. Damit wird der Unterschied in der Luftdichte in der Kamera als Muster von Schatten und Licht angezeigt.
Die Schlieren-Methode macht die ausgeatmete Luft sichtbar, weil sie wärmer und daher weniger dicht als die Umgebungsluft ist. Dieses Video zeigt nur die Bewegung der Luft selbst, ohne die Bewegung der ausgeatmeten Tröpfchen in der Luft. In dem Video auf der linken Seite trägt Staymats eine N95-Atemschutzmaske mit einem Ventil, mit dem ausgeatmete Luft ohne Filtration in die Umgebung gelangen kann. Rechts befindet sich kein Ventil, und die Luft strömt durch die Maske, und die meisten Tröpfchen werden herausgefiltert.
Dieses Video wurde mit der Lichtstreutechnik erstellt. Das Video zeigt die Dynamik des Luftstroms beim Tragen einer N95-Maske mit Ausatemventil (links) und ohne Ausatemventil (Mitte). Ventilmasken verlangsamen die Ausbreitung von COVID nicht und sollten dazu nicht getragen werden. Quelle: Matthew Stamats / NIST.
Staymats erstellte ein zweites Video mit Lichtstreuung.
Für das zweite Video baute der Forscher ein Gerät, das Luft mit der Geschwindigkeit und Geschwindigkeit eines schlafenden Erwachsenen abgibt, und verband das Gerät dann mit einem Dummy. Anstatt Tröpfchen auszuatmen, trägt die Luft Wassertröpfchen unterschiedlicher Größe, die typisch für Tröpfchen in der menschlichen Atmung beim Ausatmen, Sprechen und Husten sind. Das hochintensive LED-Licht hinter dem Mannequin beleuchtet die Lufttröpfchen, wodurch sie das Licht streuen und beim Schießen erscheinen.
Im Gegensatz zum Schlieren mit der Schlieren-Methode zeigt dieses Video die Bewegung von Tröpfchen in der Luft. Links treten Tröpfchen aus und werden nicht durch das Ventil der N95-Maske gefiltert. In der Mitte befindet sich kein Ventil und es ist keine Atmung sichtbar, da die Maske die Tropfen eingefangen hat. Die Maske ist nicht rechts.
Unter Verwendung eines Mannequins und eines mechanischen Atemgeräts beobachteten Stamets Luftströmungsmuster, während Atemfrequenz, Luftdruck und andere Variablen konstant gehalten wurden.
Darüber hinaus können durch Lichtstreuung aufgenommene Videos auf einem Computer auf eine Weise analysiert werden, die mit Schlierenbildern nicht möglich ist. Staymats schrieb Code, der die hellen Pixel im Video zählte, und schätzte damit die Anzahl der Tröpfchen in der Luft. Dies ist keine genaue Messung der Anzahl der Tröpfchen: 2D-Videos können nicht erfassen, was in einem vollständigen 3D-Luftvolumen geschieht. Die erhaltenen Zahlen zeigen jedoch Trends, die analysiert werden können, um die Dynamik des Luftstroms durch verschiedene Arten von Masken besser zu verstehen.
Dieses Forschungsprojekt untersuchte nur einen Typ von Ventilmaske; Andere Arten von Ventilmasken funktionieren anders. Masken, die nicht genau um das Gesicht passen, lassen Luft um die Maske herum und nicht durch sie hindurch. Dies kann auch die Leistung der Maske beeinträchtigen.
Die Hauptwirkung der Ventile ist bei diesen Rollen noch sichtbar. Staymats hofft, dass die Videos den Menschen auf einen Blick helfen, zu verstehen, warum Masken, die die Ausbreitung von COVID-19 verlangsamen sollen, keine Ventile haben sollten.
