Nye luftstrømsvideoer viser, hvorfor masker med udåndingsventiler ikke bremser spredningen af ​​COVID

Mange mennesker bærer masker offentligt for at bremse spredningen af ​​COVID-19, som anbefalet af Centers for Disease Control and Prevention (CDC). Imidlertid, masker med udåndingsventiler bremser ikke sygdommens spredning, og nu, nye videoer fra National Institute of Standards and Technology (NIST) viser hvorfor.

Videoerne, som viser luftstrømsmønstre gennem masker med og uden udåndingsventiler, blev skabt af NIST-forskningsingeniør Matthew Staymates. Videoerne blev offentliggjort, sammen med en tilhørende forskningsartikel, i journalen Fysik af væsker .

"Når du sammenligner videoerne side om side, forskellen er slående, " sagde Staymates. "Disse videoer viser, hvordan ventilerne tillader luft at forlade masken uden at filtrere den, som besejrer formålet med masken."

Udåndingsventiler, som gør masker lettere at ånde igennem og mere behagelige, er passende, når masken er beregnet til at beskytte bæreren. For eksempel, ventilmasker kan beskytte arbejdere mod støv på en byggeplads eller hospitalsarbejdere mod inficerede patienter.

Maskerne, som CDC anbefaler for at bremse spredningen af ​​COVID, imidlertid, er primært beregnet til at beskytte andre end bæreren. De bremser spredningen af ​​sygdommen ved at fange udåndede dråber, der kan indeholde virussen. Selv mennesker uden symptomer bør bære masker, Ifølge CDC, fordi det er muligt at blive smittet, men ikke vise symptomer.

"Jeg bærer ikke en maske for at beskytte mig selv. Jeg bærer den for at beskytte min nabo, fordi jeg kan være asymptomatisk og sprede virussen uden selv at vide det, " sagde Staymates. "Men hvis jeg har en maske på med en ventil på, Jeg hjælper ikke."

Staymates er ekspert i flowvisualiseringsteknikker, der giver ham mulighed for at fange luftens bevægelse på kameraet. Hans sædvanlige forskning involverer nye teknologier til at opdage sprængstoffer og narkotika i lufthavne og skibsfartsfaciliteter ved at opsnuse spor af disse materialer i luften. Han vendte for nylig sin ekspertise mod masker for at hjælpe med at udvikle nye måder at måle og forbedre deres ydeevne på.

Staymates skabte to videoer ved hjælp af forskellige flowvisualiseringsteknikker. Den første video blev lavet ved hjælp af det, der er kendt som et schlieren billedbehandlingssystem, hvilket får forskelle i lufttæthed til at vise sig på kameraet som mønstre af skygge og lys.

Med et schlieren billeddannelsessystem, udåndet ånde bliver synligt, fordi det er varmere, og derfor mindre tæt, end den omgivende luft. Denne video viser kun luftens bevægelse, ikke bevægelsen af ​​udåndede dråber i luften. Til venstre, Staymates er iført en N95 åndedrætsmaske med en ventil, som tillader udåndingsluft at strømme ind i miljøet ufiltreret. Til højre, der er ingen ventil, og luften passerer gennem masken, som filtrerer de fleste dråber fra.

Staymates skabte den anden video ved hjælp af en lysspredningsteknik.

Til den anden video, Staymates byggede et apparat, der udsender luft med samme hastighed og tempo som en hvilende voksen, sluttede derefter denne enhed til en mannequin. Som en stand-in for udåndede dråber, luften bærer vanddråber i en række størrelser, der er typiske for de dråber, som mennesker udsender i deres ånde, når de ånder ud, tale og hoste. Et højintensitets LED-lys bag mannequinen oplyser de luftbårne dråber, får dem til at sprede lyset og dukke op på kameraet.

I modsætning til schlieren-videoen, denne video viser bevægelsen af ​​dråber i luften. Til venstre, dråber undslipper ufiltreret gennem ventilen på en N95 maske. I midten, der er ingen ventil og ingen ånde er synlig, fordi masken har filtreret dråberne fra. Til højre, ingen maske bæres.

Brugen af ​​en mannequin og et mekanisk åndedrætsapparat gjorde det muligt for Staymates at observere luftstrømningsmønstre, mens de holdt vejrtrækningshastigheden stabil, lufttryk og andre variabler.

Ud over, de videoer, der produceres ved lysspredning, kan analyseres af en computer på en måde, som schlieren -billeder ikke kan. Staymates skrev computerkode, der beregnede antallet af lyse pixels i videoen og brugte det til at vurdere, hvor mange dråber der var i luften. Dette er ikke et sandt mål for antallet af dråber, fordi todimensionel video ikke kan fange, hvad der sker i den fulde tredimensionelle luftmængde. Imidlertid, de resulterende tal giver tendenser, der kan analyseres for bedre at forstå luftstrømsdynamikken i forskellige typer masker.

Dette forskningsprojekt så kun på én type ventilmaske; forskellige typer ventilmasker vil fungere forskelligt. Også, masker, der ikke er tætsiddende, vil tillade noget luft at slippe ud omkring masken i stedet for at filtrere gennem den. Dette kan også kompromittere maskens ydeevne.

Men hovedeffekten af ​​ventiler er synlig i disse videoer. Staymates håber, at videoerne hjælper folk med at forstå – med et øjeblik – hvorfor masker, der er beregnet til at bremse spredningen af ​​COVID-19, ikke bør have ventiler.