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Visualisierung zeigt, wie Gesichtsschutzschilde (und einige N95-Masken) die Ausbreitung von COVID-19 nicht verhindern können

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FAU College of Engineering and Computer Science Visualisierungsstudie veranschaulicht, warum Gesichtsschutz allein nicht funktioniert.

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Wenn die Richtlinien der US-amerikanischen Zentren für Krankheitskontrolle und -prävention (CDC) nicht ausreichen, um Sie davon zu überzeugen, dass Gesichtsschutz allein nicht verwendet werden sollte, um die Ausbreitung von COVID-19 zu verhindern, dann wird Sie vielleicht eine neue Studie zur Visualisierung überzeugen.

Um das öffentliche Bewusstsein für die Wirksamkeit von Gesichtsschutzschilden und Gesichtsmasken mit Ausatmungsventilen zu schärfen, haben Forscher des College of Engineering and Computer Science der Florida Atlantic University anhand qualitativer Visualisierungen getestet, wie Gesichtsschutzschilde und Masken mit Ventilen die Ausbreitung von aerosolgroßen Tröpfchen verhindern. Der weit verbreitete Einsatz dieser Alternativen zu herkömmlichen Masken könnte sich möglicherweise negativ auf die Bemühungen zur Eindämmung der Krankheit auswirken.

Für die Studie, die soeben in der Fachzeitschrift Physics of Fluids veröffentlicht wurde, verwendeten die Forscher in einem Labor Strömungsvisualisierung mit einem Laserlichtbogen und einer Mischung aus destilliertem Wasser und Glyzerin, um den synthetischen Nebel zu erzeugen, der den Inhalt eines Hustenstrahls ausmacht. Sie visualisierten Tröpfchen, die aus dem Mund einer Schaufensterpuppe ausgestoßen wurden, während sie Husten und Niesen simulierten. Durch das Anbringen eines Gesichtsschutzes aus Kunststoff und einer N95-Maske mit Ventil konnten sie die Wege der Tröpfchen aufzeichnen und ihre Wirkung demonstrieren.

Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass die Gesichtsmaske zwar die anfängliche Vorwärtsbewegung des Strahls blockiert, die ausgestoßenen Tröpfchen sich jedoch relativ leicht um das Visier herum bewegen und sich je nach leichten Umgebungsstörungen über einen großen Bereich ausbreiten. Visualisierungen für die mit einer Ausatemöffnung ausgestattete Gesichtsmaske zeigen, dass eine große Anzahl von Tröpfchen ungefiltert durch das Ausatemventil gelangt, was seine Wirksamkeit als Mittel zur Quellenkontrolle deutlich verringert.

"In dieser neuesten Studie konnten wir feststellen, dass Gesichtsschilde die anfängliche Vorwärtsbewegung des ausgeatmeten Strahls blockieren können, jedoch können sich aerosolisierte Tröpfchen, die mit dem Strahl ausgestoßen werden, mit relativer Leichtigkeit um das Visier herum bewegen", sagte Manhar Dhanak, Ph.D., Lehrstuhlinhaber, Professor und Direktor von SeaTech, der zusammen mit Siddhartha Verma, Ph.D., Hauptautor und Assistenzprofessor, und John Frankenfeld, einem technischen Fachmann, alle im Fachbereich Ozean- und Maschinenbau der FAU, die Studie verfasst hat. "Mit der Zeit können sich diese Tröpfchen über ein großes Gebiet sowohl in Quer- als auch in Längsrichtung ausbreiten, wenn auch mit abnehmender Tröpfchenkonzentration

Um die Leistungsfähigkeit des Gesichtsschutzes zu demonstrieren, verwendeten die Forscher neben einem vertikalen Laserblatt auch ein horizontales Laserblatt, das zeigt, wie die Tropfen die horizontale Ebene durchqueren. Die Forscher beobachteten nicht nur die Ausbreitung der Tröpfchen in Vorwärtsrichtung, sondern auch in umgekehrter Richtung. Vor allem Gesichtsschutzschilde behindern die Vorwärtsbewegung der ausgeatmeten Tröpfchen bis zu einem gewissen Grad, und Masken mit Ventilen tun dies in noch geringerem Maße. Sobald die aerosolgroßen Tröpfchen jedoch in die Umwelt freigesetzt werden, verteilen sie sich je nach leichten Umgebungsstörungen weit.

Wie die in dieser Studie verwendete N-95-Gesichtsmaske sind auch andere im Handel erhältliche Masken, z. B. bestimmte Masken auf Stoffbasis, mit einer oder zwei Ausatemöffnungen ausgestattet, die sich auf beiden Seiten der Gesichtsmaske befinden. Bei der in dieser Studie verwendeten N95-Gesichtsmaske mit Ausatemventil trat eine geringe Menge an ausgeatmeten Tröpfchen aus dem Spalt zwischen dem oberen Teil der Maske und dem Nasenrücken aus. Außerdem verringerte die Ausatemöffnung die Wirksamkeit der Maske als Mittel zur Quellenkontrolle erheblich, da eine große Anzahl von Tröpfchen ungefiltert und ungehindert durch das Ventil gelangte.

"Es gibt einen zunehmenden Trend, normale Stoff- oder chirurgische Masken durch durchsichtige Gesichtsschilde aus Kunststoff zu ersetzen und Masken mit Ausatemventilen zu verwenden", so Verma. "Ein wichtiger Grund für diese zunehmende Akzeptanz ist der bessere Komfort im Vergleich zu herkömmlichen Masken. Masken mit Ausatemöffnungen sind mit einem Einwegventil ausgestattet, das den Luftstrom beim Einatmen einschränkt, aber den freien Luftaustritt ermöglicht. Die eingeatmete Luft wird durch das Maskenmaterial gefiltert, aber die ausgeatmete Luft strömt ungefiltert durch das Ventil."

Die Forscher sagen, dass die wichtigste Erkenntnis aus dieser jüngsten Studie darin besteht, dass Gesichtsschilde und Masken mit Ausatemventilen die Verbreitung von Aerosoltröpfchen möglicherweise nicht so wirksam einschränken wie normale Gesichtsmasken. Trotz des höheren Komforts, den diese Alternativen bieten, sei es möglicherweise besser, gut konstruierte, qualitativ hochwertige Stoff- oder chirurgische Masken mit einfachem Design anstelle von Gesichtsschutzschilden und Masken mit Ausatemventilen zu verwenden, heißt es. Die weit verbreitete Annahme dieser Alternativen anstelle der normalen Masken könnte sich möglicherweise negativ auf die laufenden Bemühungen zur Eindämmung von COVID-19 auswirken.

"Die von den Professoren Dhanak und Verma durchgeführten Forschungen über die Bedeutung eines angemessenen Gesichtsschutzes zur Verhinderung der Ausbreitung von COVID-19 haben buchstäblich die Welt erleuchtet", sagte Stella Batalama, Ph.D., Dekanin des College of Engineering and Computer Science der FAU. "Während die breite Akzeptanz der Notwendigkeit von Gesichtsschutz stetig gestiegen ist, gibt es einen zunehmenden Trend, normale Stoff- oder chirurgische Masken durch durchsichtige Plastikmasken und Masken mit Ausatmungsventilen zu ersetzen. Diese neuesten Forschungsergebnisse liefern wichtige Beweise, um die CDC-Richtlinien weiter zu unterstützen und die Öffentlichkeit zu informieren, damit sie zu ihrem eigenen Nutzen und im Interesse der öffentlichen Sicherheit eine bessere Auswahl bei der Wahl des Gesichtsschutzes treffen kann."

Referenz: "Visualizing droplet dispersal for face shields and masks with exhalation valves" von Siddhartha Verma, Manhar Dhanak und John Frankenfield, 1. September 2020, Physics of Fluids.

DOI: 10.1063/5.0022968

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