Corona-Glaubenskampf: Was Symbolmasken wirklich bringen

Die getesteten Masken unterschiedlicher Bauart - zwei davon schaffen es, die Infektionsgefahr zu erhöhen.

Mit den staatsfeindlichen Corona-Demos und dem Beginn der Schule in mehreren Bundesländern ist die Maske endgültig zum Symbol eines Glaubenskampfes geworden. Die, die ihr anfangs ablehnend gegenüberstanden, verteidigen sie nun als einzig probates Mittel zur Eindämmung der Seuche. Und die, die sie ursprünglich für eine preiswerte private Schutzmaßnahme hielten, fühlen sich jetzt von der behördlichen Pflicht, sie zu tragen, an dunkelste Zeiten der Geschichte erinnert.

Anfangs fanden beide Seite nahezu keine wissenschaftlichen Belege für ihren Glauben. Seltsamerweise entpuppte sich das Forschungsgebiet "Schutzwirkungen von Schutzmasken" als leere Leinnwand, auf die jeder pinseln konnte, was ihm gerade in den Sinn kam.  Fortschritte in der Wissenschaft der Schutzgraderforschung sind seitdem mehrfach angekündigt worden, doch mit den entschiedenen Beschlüssen, ab sofort und dauerhaft viel mehr zu testen und umfassende Studien zur Durchseuchung durchzuführen haben sie gemein, dass später niemand mehr von ihnen gehört hat.

Im US-Magazin "Science Advances" hat eine Autorengruppe jetzt allerdings eine Studie vorgelegt, die offene Fragen zur "Wirksamkeit von Gesichtsmasken beim Filtern ausgestoßener Tröpfchen während des Sprechens" (Titel) beantwortet. Dabei geht es um einfache OP-Masken, aber auch um die als "Mund-Nase-Schutz" oder gar "Mund-Nasen-Schutz" bezeichneten Formalmasken aus beliebigen Stoffresten, die die Politik nach Wochen der Maskenverweigerung, weil keine Masken bevorratet worden waren, schließlich zu Symbolträgern einer Maskenpflicht gemacht hatte, ohne dass es tragfähige Daten gab, die eine Schutzwirkung belegten.

Als frühestes deutsches Maskenmagazin - bereits Anfang März hatte PPQ.li nach einem "Selbstschutz mit Scheuerlappen" nach alter DDR-Atomkriegssitte gerufen - dokumentieren wir den Beitrag zur Studie im Rahmen unserer Serie Moderne Märchen - wieso Gesichtsmasken angeblich gar nicht schützen".

Annahmen statt Gewissheit

Die Pflicht zum Maskentragen in der Öffentlichkeit während der COVID-19-Pandemie, die durch den weltweiten Mangel an kommerziellem Zubehör verschärft wurde, hat zu einer weit verbreiteten Verwendung hausgemachter Masken und Maskenalternativen geführt. Es wird angenommen, dass das Tragen solcher Masken die Wahrscheinlichkeit verringert, dass eine infizierte Person die Krankheit verbreitet, aber viele dieser Maskendesigns wurden in der Praxis nicht getestet.

Wir haben eine einfache optische Messmethode entwickelt, um die Wirksamkeit von Masken zur Verringerung der Übertragung von Atemtröpfchen während des regulären Sprechens zu bewerten. In Proof-of-Principle-Studien wurden eine Vielzahl allgemein verfügbarer Maskentypen nach dieser Methode verglichen und wir haben dabei festgestellt, dass einige Maskentypen der Leistung von chirurgischen Standardmasken nahe kommen, während einige Maskenalternativen wie Halsvlies oder Bandanas nur sehr wenig Schutz bieten.

Unser Messaufbau ist kostengünstig und kann von Nicht-Experten erstellt und betrieben werden. Dies ermöglicht eine schnelle Bewertung der Maskenleistung beim Sprechen, Niesen oder Husten.


Forschung zur Wirksamkeit

Die weltweite Verbreitung von COVID-19 Anfang 2020 hat die Nachfrage nach Gesichtsmasken auf der ganzen Welt erheblich erhöht und gleichzeitig die Forschung über deren Wirksamkeit angeregt. Hier adaptieren wir einen neuen Ansatz der optischen Bildgebung und heben starke Unterschiede in der Wirksamkeit verschiedener Masken und Maskenalternativen hervor, die Ausbreitung von Atemtröpfchen während des regulären Sprechens zu unterdrücken.


Im Allgemeinen regelt der Begriff „Gesichtsmaske“ eine breite Palette von Schutzausrüstungen mit der Hauptfunktion, die Übertragung von Partikeln oder Tröpfchen zu verringern. Die häufigste Anwendung in der modernen Medizin ist der Schutz des Trägers. Ursprünglich wurden jedoch chirurgische Gesichtsmasken eingeführt, um die umgebenden Personen vor dem Träger zu schützen, beispielsweise den Schutz von Patienten mit offenen Wunden vor Infektionserregern des Operationsteams oder die Personen, die einen Tuberkulose-Patienten umgeben, sich über Tröpfchen in der Luft mit der Krankheit zu infizieren.

Diese letztere Funktion wurde von mehreren Regierungen und Aufsichtsbehörden übernommen, da COVID-19-Patienten viele Tage lang asymptomatisch, aber ansteckend sein können. Die Voraussetzung für den Schutz vor infizierten Personen, die eine Maske tragen, ist einfach: Das Tragen einer Gesichtsmaske verringert die Ausbreitung von Atemtröpfchen, die Viren enthalten. Tatsächlich legen neuere Studien nahe, dass das Tragen von Gesichtsmasken die Ausbreitung von COVID-19 auf Bevölkerungsebene verringert und folglich das Wachstum der Epidemiekurve abschwächt.

Die Bestimmung der Maskenwirksamkeit ist jedoch ein komplexes Thema, das immer noch ein aktives Forschungsfeld ist und noch komplizierter wird, da die Infektionswege für COVID-19 noch nicht vollständig verstanden sind und durch viele Faktoren wie den Übertragungsweg, korrekte Anpassung und Verwendung von Masken und andere Umgebungsvariablen bestimmt wird.

Bequemlichkeit vor Schutz

Aus Sicht der öffentlichen Ordnung haben Lieferengpässe bei chirurgischen Gesichtsmasken und N95-Atemschutzmasken sowie Bedenken hinsichtlich ihrer Nebenwirkungen und der Unannehmlichkeit einer längeren Anwendung dazu geführt, dass eine Vielzahl von Lösungen, die im Allgemeinen weniger restriktiv sind, in der Öffentlichkeit eingesetzt werden. Darunter sind  hausgemachte Baumwollmasken oder Bandanas, über deren Wirksamkeit nichts bekannt ist. Während einige für die Maskenherstellung verwendete Textilien geeignet erscheinen, muss die Leistung tatsächlicher Masken in einer praktischen Umgebung erst noch untersucht werden.

Unsere Versuchsanordnung zeigt das schematische Bild links. Ein Bediener trägt eine Gesichtsmaske und spricht in Richtung eines erweiterten Laserstrahls in einem dunklen Gehäuse. Tröpfchen, die sich durch das Laserstrahl-Streulicht ausbreiten, werden mit einer Handykamera aufgenommen. Ein einfacher Computeralgorithmus wird verwendet, um die Tröpfchen im Video zu zählen. Die für diese Messungen erforderliche Hardware ist allgemein verfügbar. Geeignete Laser und optische Komponenten sind in Hunderten von Forschungslabors erhältlich oder können für weniger als 200 US-Dollar erworben werden. Eine Standard-Handykamera kann als Aufnahmegerät dienen. Der Versuchsaufbau ist einfach und kann von Nichtfachleuten leicht aufgebaut und betrieben werden.

Wir haben unsere Methode nicht mit allen verfügbaren, sondern lediglich an einer Vielzahl von allgemein verfügbaren Masken und Maskenalternativen mit einem Sprecherausprobiert, und eine Teilmenge dieser Masken wurde mit vier Sprechern getestet. Selbst aus diesen begrenzten Demonstrationsstudien können wichtige allgemeine Merkmale durch einen relativen Vergleich zwischen verschiedenen Gesichtsmasken und deren Übertragung von Tröpfchen extrahiert werden.

Erstaunliche Ergebnisse

Wir haben 14 allgemein erhältliche Masken oder Maskenalternativen, ein Stück Maskenmaterial und eine professionell auf Passform getestete N95-Maske getestet. Als Referenz haben wir Kontrollversuche aufgezeichnet, bei denen der Sprecher keine Schutzmaske oder Abdeckung trug. Jeder Test wurde mit demselben Protokoll durchgeführt. Die Kamera wurde verwendet, um ein Video von ungefähr 40 s Länge aufzunehmen, um Tröpfchen aufzuzeichnen, die während des Sprechens emittiert wurden. Die ersten 10 Sekunden des Videos dienen als Basis. In den nächsten 10 s wiederholte der Maskenträger den Satz „Bleib gesund, Leute“ fünfmal, danach zeichnete die Kamera weitere 20 s auf. Für jede Maske und für den Kontrollversuch wurde dieses Protokoll 10 Mal wiederholt.

Die Ergebnisse unserer Maskenstudie sind in der Grafik dargestellt, die die relative Tröpfchenzahl für jede getestete Maske zeigt. Die mit durchgezogenen Punkten angezeigten Daten stellen das Ergebnis des gleichen Sprechers dar, der alle Masken getestet hat. Die Punkte und Fehlerbalken repräsentieren den Mittelwert bzw. die Verteilungsstandardabweichung der Gesamttröpfchenzahl, normalisiert auf den Kontrollversuch ohne keine Maske.

Für diesen Kontrollversuch betrug die absolute Tröpfchenzahl etwa 960. Die zeitliche Entwicklung der Tröpfchenzahl (linke Achse) ist für repräsentative Beispiele gezeigt, die in (A) mit der entsprechenden Farbe markiert sind: Keine Maske (grün), Bandana (rot), Baumwollmaske (orange) und chirurgisch ( blau - auf dieser Skala nicht sichtbar). Die kumulative Tröpfchenzahl für diese Fälle wird ebenfalls angezeigt (rechte Achse).

Alles besser als nichts

Wir haben eine Tröpfchenübertragungsfraktion im Bereich von unter 0,1 Prozent bei einer angepassten professionellen N95-Maske bis zu 110 Prozent bei einer einfachen Vliesmaske im Vergleich zu den Kontrollversuchen gemessen. Die durchgezogenen Kurven geben die Tröpfchenübertragungsrate über die Zeit an. Für den Kontrollversuch (grüne Kurve) entsprechen die fünf unterschiedlichen Peaks den fünf Wiederholungen des Bedieners. Beim Sprechen durch eine Maske gibt es eine physikalische Barriere, die zu einer Verringerung der übertragenen Tröpfchen und einer signifikanten Verzögerung zwischen dem Sprechen und dem Erkennen von Partikeln führt. Tatsächlich wirkt die Maske als zeitliches Tiefpassfilter, glättet die Tröpfchenrate über die Zeit und verringert die Gesamtübertragung.

Mit großen Unterschieden. Mit einer  Bandana (rote Kurve) wird die Tröpfchenrate lediglich um den Faktor zwei reduziert und die Wiederholungen der Sprache sind immer noch spürbar. Die Wirkung der Baumwollmaske (orange Kurve) ist viel stärker. Das Sprachmuster ist nicht mehr erkennbar und die meisten Tröpfchen werden im Vergleich zum Kontrollversuch unterdrückt. Die Kurve für die Operationsmaske ist auf dieser Skala nicht sichtbar, weil die Wirkung im Vergleich noch deutlicher ist. Die schattierten Bereiche für alle Kurven zeigen die kumulative Partikelanzahl über die Zeit an: Je niedriger die Kurve, desto mehr Tröpfchen werden von der Maske blockiert.

Ausnahme einfaches Tuch

Wir haben festgestellt, dass das Sprechen durch einige Masken wie insbesondere das Halsvlies die größten Tröpfchen in eine Vielzahl kleinerer Tröpfchen zu zerstreuen schien, was den Anstieg der Tröpfchenzahl im Vergleich zu keiner Maske in diesem Fall erklärt. In Anbetracht der Tatsache, dass kleinere Partikel länger in der Luft sind als große Tröpfchen, weil größere Tröpfchen schneller absinken, kann die Verwendung einer solchen Maske die Gefahr also sogar erhöhen.

Darüber hinaus wird die Leistung der N95-Ventilmaske wahrscheinlich durch das Ausatemventil beeinträchtigt, das sich für einen starken Luftstrom nach außen öffnet. Während das Ventil den Schutz des Trägers nicht beeinträchtigt, kann es den Schutz der den Träger umgebenden Personen verringern. Im Vergleich dazu war die Leistung der angepassten N95-Maske ohne Ventil weit überlegen.

Download: Die Studie als PDF