Molte persone indossano maschere in pubblico per rallentare la diffusione di COVID-19, come raccomandato dai Centers for Disease Control and Prevention (CDC). Però, le maschere con valvole di espirazione non rallentano la diffusione della malattia, e adesso, i nuovi video del National Institute of Standards and Technology (NIST) mostrano perché.

I video, che mostrano i modelli di flusso d'aria attraverso maschere con e senza valvole di espirazione, sono stati creati dall'ingegnere di ricerca del NIST Matthew Staymates. I video sono stati pubblicati, insieme a un articolo di ricerca di accompagnamento, nel diario Fisica dei fluidi .

"Quando si confrontano i video fianco a fianco, la differenza è impressionante, "Staymates ha detto. "Questi video mostrano come le valvole consentono all'aria di uscire dalla maschera senza filtrarla, che vanifica lo scopo della maschera."

Valvole di espirazione, che rendono le maschere più facili da respirare e più confortevoli, sono appropriate quando la maschera ha lo scopo di proteggere chi la indossa. Ad esempio, le maschere con valvola possono proteggere i lavoratori dalla polvere in un cantiere edile o gli operatori ospedalieri da pazienti infetti.

Le mascherine che il CDC consiglia per rallentare la diffusione del COVID, però, sono principalmente destinati a proteggere le persone diverse da chi lo indossa. Rallentano la diffusione della malattia catturando le goccioline espirate che potrebbero contenere il virus. Anche le persone senza sintomi dovrebbero indossare maschere, Secondo il centro per la prevenzione e il controllo delle malattie, perché è possibile essere infettati ma non mostrare sintomi.

"Non indosso una maschera per proteggermi. La indosso per proteggere il mio vicino, perché potrei essere asintomatico e diffondere il virus senza nemmeno saperlo, " Dissero Staymates. "Ma se indosso una maschera con una valvola, Non sto aiutando".

Staymates è un esperto in tecniche di visualizzazione del flusso che gli consentono di catturare il movimento dell'aria sulla fotocamera. La sua ricerca abituale coinvolge nuove tecnologie per rilevare esplosivi e stupefacenti negli aeroporti e nelle strutture di spedizione fiutando tracce di tali materiali nell'aria. Di recente ha rivolto la sua esperienza alle maschere per aiutare a sviluppare nuovi modi per misurare e migliorare le loro prestazioni.

Staymates ha creato due video utilizzando diverse tecniche di visualizzazione del flusso. Il primo video è stato creato utilizzando il cosiddetto sistema di imaging schlieren, che fa sì che le differenze nella densità dell'aria vengano visualizzate sulla fotocamera come modelli di ombre e luci.

Con un sistema di imaging schlieren, il respiro esalato diventa visibile perché è più caldo, e quindi meno densa, rispetto all'aria circostante. Questo video mostra solo il movimento dell'aria stessa, non il movimento delle goccioline espirate nell'aria. Sulla sinistra, Staymates indossa una maschera respiratoria N95 con una valvola, che consente all'aria espirata di defluire nell'ambiente non filtrata. Sulla destra, non c'è valvola, e l'aria passa attraverso la maschera, che filtra la maggior parte delle goccioline.

Staymates ha creato il secondo video utilizzando una tecnica di diffusione della luce.

Per il secondo video, I compagni di soggiorno hanno costruito un apparato che emette aria alla stessa velocità e ritmo di un adulto a riposo, quindi collegato quel dispositivo a un manichino. Come sostituto delle goccioline espirate, l'aria trasporta goccioline d'acqua in una gamma di dimensioni tipiche delle goccioline che le persone emettono nel respiro quando espirano, parlare e tossire. Una luce LED ad alta intensità dietro il manichino illumina le goccioline trasportate dall'aria, facendoli disperdere la luce e mostrarsi brillantemente sulla fotocamera.

A differenza del video Schlieren, questo video mostra il movimento delle goccioline nell'aria. Sulla sinistra, le goccioline fuoriescono non filtrate attraverso la valvola di una maschera N95. Nel mezzo, non c'è valvola e non è visibile il respiro perché la maschera ha filtrato le goccioline. Sulla destra, non viene indossata alcuna maschera.

L'uso di un manichino e di un apparato di respirazione meccanico ha permesso agli Staymates di osservare i modelli del flusso d'aria mantenendo costante la frequenza respiratoria, pressione dell'aria e altre variabili.

Inoltre, i video prodotti dalla diffusione della luce possono essere analizzati da un computer in un modo che le immagini schlieren non possono. Staymates ha scritto un codice per computer che ha calcolato il numero di pixel luminosi nel video e l'ha usato per stimare quante gocce c'erano nell'aria. Questa non è una misura esatta del numero di goccioline perché il video bidimensionale non può catturare ciò che sta accadendo nell'intero volume d'aria tridimensionale. Però, i numeri risultanti forniscono tendenze che possono essere analizzate per comprendere meglio le dinamiche del flusso d'aria di diversi tipi di maschere.

Questo progetto di ricerca ha esaminato un solo tipo di maschera con valvola; diversi tipi di maschere con valvola funzioneranno in modo diverso. Anche, le maschere che non sono aderenti consentiranno all'aria di fuoriuscire intorno alla maschera invece di filtrare attraverso di essa. Questo può anche compromettere le prestazioni della maschera.

Ma l'effetto principale delle valvole è visibile in questi video. Staymates spera che i video aiutino le persone a capire, a colpo d'occhio, perché le maschere destinate a rallentare la diffusione di COVID-19 non dovrebbero avere valvole.