Munskydd hindrar spridning av partiklar

Hur sprids partiklar när vi andas och pratar med och utan munskydd? Coronapandemin har gjort frågan om hur väl munskydd förhindrar smittspridning högaktuell. Nu presenteras ny forskning för Folkhälsomyndigheten och Vetenskapsrådet under ledning av forskare från Luleå tekniska universitet.

– Munskydd hindrar spridning av vattendroppar. Våra experiment visar att de stora partiklarna fångas upp bra av munskydden medan färre antal mindre droppar läcker ut på sidorna av munnskydden, eftersom de inte sitter helt tätt mot ansiktet. Därför är även väl fungerande ventilation viktig i offentliga miljöer, säger Staffan Lundström, professor i strömningslära vid Luleå tekniska universitete och ledare för projektet.

Forskningen startade i början av covid-utbrottet  i Sverige

Sedan början av 2020 har frågan stått i fokus för en grupp forskare inom strömningslära, vetenskapen om gaser och vätskors rörelser. Under ledning av Luleå tekniska universitet i samarbete med Kungliga Tekniska högskolan, Chalmers tekniska högskola och Lunds tekniska högskola har munskyddens effektivitet studeras ur olika aspekter.

Effekter av ansiktsmasker under luftburen pandemi utifrån strömningsmekaniska aspekter

Inriktningen för forskarna har varit hur väl partiklar i vår utandningsluft fångas upp av de munskydd vi använder, i till exempel kollektivtrafik och offentliga miljöer i syfte att minska smittspridning av covid-19. Genom att sammanställa det som är känt från tidigare studier och göra nya experiment och simuleringar har forskarna haft som mål att förbättra kunskapen om munskydd och spridning av partiklar vi andas ut.

Forskningen bygger på ett nära samarbete mellan de olika lärosätenas forskargrupper inom området. Vissa resultat är vetenskapligt publicerade, andra är ännu inte publicerade.

Kort beskrivning av forskningsresultat som presenteras för Folkhälsomyndigheten och Vetenskapsrådet.

Luleå tekniska universitet (Staffan Lundström, professor i strömningslära, Mikael Sjödahl, professor i experimentell mekanik) Modellexperiment har utförs med fyra typer av munskyddsmaterial (två kommersiella och två hemmagjorda av syntetiska fibrer och bomullsfibrer) med och utan läckage. Partiklarna detekteras med dubbelpulsad interferometrisk partikelavbildning, varifrån den är möjligt att uppskatta position, hastighet och storlek på enskilda partiklar. Testvätskorna är vatten och konstgjord saliv. Resultat:Transmission, Realistiska tryckfall vid andning ger utmärkt filtrering för alla testade material. Bomullstyget filtrerar dock lite sämre än de andra munskyddsmaterialen. Högre tryckfall (hosta) resulterar i viss transmission för de hemmagjorda maskerna. Läckage, Även vid läckage i modellexperimentet filtreras stora partiklar diameter (d) > 50 mikrometer. Filtreringseffektiviteten minskar med minskande partikelstorlek till cirka 80 % för d = 15 mikrometer. Storleksberoendet i läckaget beror främst på partiklarnas rörelsemängd. Filtreringseffekten kan beskrivas med en enkel ekvation.

Kungliga Tekniska högskolan ( Ramis Örlü, docent i strömningsmekanik och teknisk akustik) Läckage- och genomströmning har undersökts vid gränssnittet mellan munskydd och en modell av ett ansikte med höghastighetsfotografering och Schlieren-teknik. Pulsade förhållanden undersöks i syfte att simulera tal- och nysningsförhållanden. Testvätskorna är vatten och konstgjord saliv. Resultat: Kirurgiska masker visar sig vara utmärkta för frontalfiltrering i enlighet med tidigare studier. Bomullsbaserade masker bör avrådas. Kraftiga läckage- och genomströmningsstrålar strömmar ut vid gränssnittet mellan ansikte och mask upptill/näsan och sidan/kinderna. Mättade masker hade försumbar effekt på prestandan. Ytterligare studier behövs för att bedöma om masker bör (åter)användas av ekologiska/ekonomiska/miljömässiga skäl.

– Våra experiment med konstgjord saliv vid simulering av tal och nysningar visar som känt att munskydd är utmärkta för frontalfiltrering av flöde och partiklar. Däremot ställer läckageflödet höga krav på god ventilation när man överväger munskydd i sociala sammankomster, säger Ramis Örlü.

Chalmers tekniska högskola, (Srdjan Sasic, professor i strömningslära)Mekanismerna för filtrering av vätskedropp ar (10-50 mikrometer) i fibrösa mikrostrukturer av ansiktsmasker har undersökts med hjälp av den så kallade LBM-metoden. Dynamik, uppsamling och sammanslagning av droppar av en storlek som är jämförbar med de fiber- och porstorlekar som är relevanta för maskmaterial studeras vid vanlig andning. Här tas hänsyn till ett icke-newtonskt beteende hos saliv. Resultat: En ny modell för droppars penetrationslängd i munskyddsmikrostrukturer, givet fiberstorlek och porositet och en ny modell för munskydds permeabilitet vid användning. Baserat på detta kan munskydd utvecklas så att de filtrerar ännu bättre och blir lättare att andas igenom.

– Våra modeller och beräkningar ger riktlinjer till tillverkare av ansiktsmasker om hur man gör en balans mellan att ha en hög grad av maskeffektivitet och komfort för användarna, säger Srdjan Sasic.

Lunds tekniska högskola, (Xue-Song Bai, professor i strömningsteknik) Avancerade numeriska simuleringar har utförts för att studera spridningen av droppar och aerosolflöden med hjälp av så kallade LES-simuleringar. Det turbulenta flödet beskrivs med hjälp av Navier-Stokes-ekvationer och dropprörelsen simuleras med hjälp av en partikelspårningsekvation. Dropparna bryts upp och avdunstar under spridningsprocessen och de påverkas av gravitation. Resultat: En ansiktsmaskmodell för numerisk simulering av transport av droppar/aerosolpartiklar genom ansiktsmasker har utvecklats baserat på de genomförda experimenten. Modellen har använts för att förutsäga transporten av droppar/aerosolpartiklar i olika miljöer. Simuleringarna visar att utan ansiktsmasker är det sociala avståndet på 1 m inte säkert medan ett trygghetsavstånd på 1,5 m är mer motiverat. Ansiktsmasker kan inte bara filtrera bort en majoritet av dropparna utan de kan minska säkerhetsavståndet avsevärt. Läckaget genom slitsen mellan ansiktsmasken och ansiktet är den huvudsakliga källan till dropputsläpp vid hosta med ansiktsmasker.

Transport av vätskedroppar i en hiss studeras under olika luftventilationsförhållanden. Det visar sig att dropparnas transport påverkas avsevärt av ventilationen. Speciellt konstateras det att stora droppar tenderar att falla ner till marken inom 1 m, att små droppar kan spridas i hela hissen beroende på ventilationsförhållandena.

– Det råder ingen tvekan om att munskydd avsevärt kan minska överföringen av SARS-CoV-2 vrius. Våra CFD-simuleringar indikerar att det sociala säkerhetsavståndet kan reduceras markant till en tredjedel av det avstånd man bör ha när man saknar munskydd, säger Xue-Song Bai.