Wir brauchen bessere Gesichtsmasken – und Origami könnte helfen

Jun 09, 2024

Für Richard Gordon ist Origami wie ein Musikstück. Während eine einzelne Falte vielleicht nicht besonders beeindruckend ist, können viele zusammen das Papier zum Strahlen bringen. Ein Floppy Sheet kann sich in einen flatternden Vogel, ein schwimmendes Boot, eine blühende Blume oder, im Fall von Gordons neuestem Unterfangen, in eine Gesichtsmaske verwandeln.

„Es ist eine Art Alchemie“, sagt Gordon, Gründer und CEO von Air99 LLC.

Gordon gehört zu einer wachsenden Zahl von Maskendesignern, die in der alten Origami-Kunst das Versprechen einer besseren Passform, Funktion und sogar Mode sehen. Er begann vor mehr als einem Jahrzehnt in Suzhou, China, mit der Herstellung von Masken, als er keine Maske finden konnte, die seinem Sohn zum Schutz vor Luftverschmutzung richtig passte. Aber die Pandemie hat der Arbeit von Gordon und anderen Designern neue Dringlichkeit verliehen.

Während wir in der Impfschlange warten, bis wir an der Reihe sind, ist das Aufsetzen einer Maske – neben sozialer Distanzierung, Belüftung, schnelleren Tests und mehr – eine entscheidende Maßnahme, um die Ausbreitung von SARS-CoV-2 zu verlangsamen. Der neu ins Amt gewählte Präsident Joe Biden fordert alle Amerikaner auf, in den ersten 100 Tagen seiner Amtszeit eine Maske zu tragen, und er unterzeichnete neue Durchführungsverordnungen, die Masken in Bundesgebäuden, auf Bundesland und in vielen Flugzeugen, Zügen, öffentlichen Schiffen und in der Stadt vorschreiben Busse und auf Flughäfen.

„Wir treten in die möglicherweise härteste und tödlichste Phase des Virus ein“, sagte Biden bei der Amtseinführung. „Wir müssen die Politik beiseite legen und dieser Pandemie endlich als eine Nation begegnen.“

Masken könnten auch nach der Pandemie zu einer tragenden Säule werden, um sowohl Viren als auch Umweltverschmutzung in Schach zu halten. Während in anderen Ländern das Tragen von Masken bereits zum täglichen Leben gehört, war dies in den Vereinigten Staaten nicht der Fall. Doch eine aktuelle Umfrage von National Geographic und Morning Consult deutete auf eine veränderte Haltung in den USA gegenüber der Verschleierung hin. Etwa 63 Prozent der 2.200 amerikanischen Erwachsenen gaben an, dass sie nach der Pandemie weiterhin immer oder manchmal eine Maske tragen würden, wenn sie Besorgungen erledigen. Eine ähnliche Zahl, rund 64 Prozent, sagte, sie würden auf Masken zurückgreifen, um die Luftverschmutzung abzuwehren. Und 67 Prozent gaben an, dass sie während der Grippesaison eine Maske tragen würden.

Dennoch gibt es eine lange Liste von Beschwerden über Masken. Manche flachen Bedeckungen verwandeln sich schnell in feuchte Stofffetzen, die man sich übers Gesicht drückt. Andere können zu einem Erstickungsgefühl führen, obwohl Stoff- und medizinische Masken bei gesunden Erwachsenen ausreichend Sauerstoff durchlassen. Und obwohl alle Masken einen gewissen Virenschutz bieten, sind einige wirksamer als andere. Origami verspricht, viele dieser Probleme zu lindern.

Die erste große Hürde bei der Gestaltung von Origami-Masken ist das Material. Die Maske ist kein einfaches Sieb. Stattdessen gleicht das Material eher einem Labyrinth für Partikel – je größer die Chance ist, dass die Partikel gegen eine Wand laufen, desto besser funktioniert der Filter. Zwei oder drei Schichten sind besser als eine, und Materialien mit weniger geordneten Strukturen, wie das Polypropylenvlies einer N95-Maske, ergeben bessere Filter. Die meisten gewöhnlichen Stoffe eignen sich jedoch nicht für Origami, das eine gewisse Festigkeit erfordert, um die Falten zu halten.

Eine mögliche Lösung ist ein Polypropylenmaterial, das üblicherweise in Krankenhäusern zum Einwickeln chirurgischer Instrumente verwendet wird, erklärt Shu Yang, Professor für Materialwissenschaft und -technik an der University of Pennsylvania. Sie und ihre Kollegen griffen in den frühen Tagen der Pandemie auf dieses Tuch zurück, als die Schutzausrüstung knapp wurde.

Eine Studie einer gängigen Hülle namens Halyard H300 ergab, dass drei Schichten des Materials eine Filtereffizienz nahe an N95-Masken erreichen könnten, dem Goldstandard für die Filterung, die mindestens 95 Prozent der 0,3-Mikron-Partikel blockieren und bei beiden sogar die Effizienz steigern könnten größere und kleinere Partikel. Darüber hinaus ist die Folie problemlos in großen Bögen erhältlich und steif genug, um Falten standzuhalten. Im vergangenen Frühjahr lieferten Yang und ihre Kollegen 10.000 aus dem Tuch hergestellte Origami-Masken an die medizinische Fakultät der University of Pennsylvania, falls es zu Engpässen kommen sollte.

Eine andere Lösung zum Halten einer Falte besteht darin, ein äußeres Skelett aus steifem Material zu schaffen. Die Airgami-Maske von Air99 besteht beispielsweise aus einem flexiblen N95-Filter, der mit einer steiferen und faltbareren Schicht verschmolzen ist. Da die äußere Struktur keine Luft durchlässt, ist sie mit Löchern versehen, damit die Luft die Filterschicht erreichen kann. Und Tests deuten darauf hin, dass diese Materialien mit Hitze desinfiziert und mehrfach wiederverwendet werden können.

Andere Materialien, die der Öffentlichkeit leichter zugänglich sind, können für einige gefaltete Maskendesigns ebenfalls wirksam sein, sagt Jonathan Realmuto, Postdoktorand an der University of California, Irvine. Besonders effektiv und in den meisten Baumärkten erhältlich sind beispielsweise MERV-13-Filter, die nicht aus Glasfaser bestehen und üblicherweise für Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen verwendet werden.

Das richtige Material zu finden ist nur der erste Schritt bei der Herstellung einer wirkungsvollen Maske. „Es spielt keine Rolle, wie gut der Filter ist, wenn er nicht gut passt“, sagt John Volckens von der Colorado State University, der intensive Tests durchführte, um die Filtrationseffizienz einer Reihe von Materialien zu dokumentieren.

Bei unsachgemäßem Design oder falschem Tragen können Masken Lücken um die Nase oder die Wangen aufweisen, die Ein- und Austrittspunkte für den Austritt potenziell virenbeladener Partikel ermöglichen – und das Schließen dieser Lücken ist die wahre Stärke von Origami.

Laut Volckens sind Origami-Techniken bereits von zentraler Bedeutung für viele heute auf dem Markt erhältliche Masken. Der VFlex von 3M beispielsweise kombiniert Falten mit Heißschweißen, um das Material zusammenzuhalten, und schafft so eine komfortablere Version eines N95. Aber N95 sind noch nicht allgemein erhältlich, da die US-Vorräte aufgrund der sprunghaft gestiegenen Nachfrage immer noch schwanken. Die USA sind der weltweit größte Importeur von Gesichtsmasken – und das anhaltende Versäumnis der Bundesregierung, die US-Maskenproduktion auszuweiten, hat teilweise zu anhaltenden Engpässen geführt.

Der dringende Bedarf an mehr Masken hat eine Vielzahl von Origami-Designs inspiriert, von Masken, die jeder zu Hause herstellen kann, bis hin zu Designs, die jeden außer den erfahrensten Ordnern herausfordern.

So einfache Funktionen wie das Ändern der Faltenwinkel herkömmlicher chirurgischer Masken können die Passform erheblich verbessern. Diese Idee steht im Mittelpunkt des gefalteten Maskendesigns von Jiangmei Wu. Wu, eine Origami-Künstlerin und außerordentliche Professorin für Innenarchitektur an der Indiana University, begann mit Maskenmustern zu experimentieren, nachdem sie einen Anruf von ihrem Bruder in Hongkong erhalten hatte, als sich das Coronavirus im Januar 2020 auszubreiten begann.

„Mein Ziel war es, ein Design zu finden, das sehr einfach und unkompliziert ist und auch sehr gut passt“, sagt sie. Indem er die Falten an den Maskenrändern neu überdachte, schuf Wu drei Designs, die jeweils zu leicht unterschiedlichen Gesichtsprofilen passen. Sie testete mehrere Optionen für das Maskenmaterial und landete auf einer äußeren Maskenschicht aus einer Art Polypropylen-Vliesstoff, ähnlich denen, die in chirurgischen Masken verwendet werden, aber schwerer und steifer sind, was ein Falten ermöglicht. (Wu testet immer noch die Filterkapazität und Atmungsaktivität der Maske.)

Andere Origami-Designs wurden entwickelt, um Menschen die Möglichkeit zu geben, ihre eigenen Masken zu erstellen, auch wenn sie keine Nähkenntnisse haben. Beispielsweise war ein von Realmuto von der UC Irvine und seinen Kollegen entwickeltes Muster dafür konzipiert, in Notfällen unter Verwendung leicht verfügbarer Gegenstände hergestellt zu werden. Die Falten, sagt er, begrenzen die Leckage entlang der Maskennähte.

Gordons Airgami ist jedoch viel komplizierter. Ineinandergreifende Täler und Berge aus Papier verleihen der Struktur einzigartige Eigenschaften, erklärt er. Im Gegensatz zu einem Gummiband, das sich bei Dehnung verengt, dehnt sich die Airgami-Maske aus, wenn man sie über das Gesicht zieht, eine Eigenschaft sogenannter auxetischer Materialien. Das Ergebnis ist eine Maske, die auch dann bündig am Gesicht anliegt, wenn der Träger sich bewegt.

„Ich kann nach unten schauen, ich kann reden, während ich es anhabe, und den Kopf schütteln. Es will sich nicht lösen“, sagt Gordon. (Der Airgami hat unabhängig durchgeführte N95-Fit- und Filtrationstests bestanden und das Unternehmen arbeitet weiterhin an der vollständigen Zertifizierung durch das National Institute for Occupational Safety and Health.)

Einige Origami-Maskendesigns können auch den Komfort des Trägers verbessern. Die Falten verleihen der Maske Struktur und verhindern, dass der Mund das Material berührt, wodurch das Unbehagen einer feuchten Maske auf der Haut vermieden wird. Wu verlieh ihrem neuesten Design Stabilität, indem sie eine schmale Linie entlang der Mitte der Maske erhitzte, wodurch der Stoff zu einer vertikalen Kante verschmolz.

Die Falten der Airgami-Maske erleichtern das Atmen, indem sie die Oberfläche, durch die Luft strömen kann, deutlich vergrößern. Ausgeklappt ist der Filter zwei- bis dreimal so groß wie herkömmliche N95-Filter.

„Es ist wie das Atmen durch einen Strohhalm statt durch ein großes Rohr“, sagt Gordon über eine Maske mit geringer Oberfläche.

Ein unerwarteter Vorteil der vielen Faltmuster ist das stilistische Flair, von den minimalistischen Falten von Wus Design bis hin zum hypnotisierenden Fächer von Gordons. Wu und Gordon weisen außerdem darauf hin, dass ihre Maskenmaterialien in verschiedenen Farben und Mustern bedruckt werden könnten. Wenn man etwas ästhetisch Ansprechendes herstellen kann, werden sich die Menschen wohler fühlen – und es eher tragen, sagt Yang.

„Menschen scheinen Origami schön zu finden“, sagt Gordon.

Je komplexer das Design ist, desto anspruchsvoller ist jedoch die Herstellung einer Maske. „Ich finde solche Innovationen wunderbar“, sagt Volckens. Aber er fügt hinzu: „Solange Sie nicht eine Million davon pro Tag herstellen, können Sie dem Problem nichts anhaben.“

Selbst Wus einfaches Faltenmaskendesign habe sich als schwierig in der kostengünstigen Herstellung erwiesen, sagt sie. Sie sucht derzeit nach Möglichkeiten, die Masken in großen Mengen für weniger als einen Dollar pro Stück herzustellen. „Das ist die Herausforderung von Origami“, sagt Wu. „Wie bringen wir Origami in die Massenproduktion?“

Auch Gordon und sein Team arbeiten weiterhin daran, die Produktion zu beschleunigen. Die Masken sind für 33,99 US-Dollar pro Stück erhältlich, aber Gordon hofft, die Kosten zu senken, indem das Unternehmen die Herstellung verbessert. Obwohl er Werkzeuge entwickelt hat, die das Falten erleichtern, bedeutet die Komplexität des Designs, dass das Airgami immer noch von Hand gefaltet werden muss. Die Zeit zur Herstellung einer Maske wird in Minuten gemessen. „Wir müssen uns auf Sekunden beschränken“, sagt Gordon.

Doch Maskendesigner sind optimistisch, was die Zukunft von Origami angeht. Gordon verweist gerne auf einen TED-Vortrag des bekannten Origami-Künstlers und Physikers Robert Lang aus dem Jahr 2008. „So seltsam und überraschend es auch klingen mag“, sagte Lang, „Origami könnte eines Tages sogar ein Leben retten.“

„Sie können Ihr ganzes Geld darauf verwetten, dass Robert Recht hatte“, fügt Gordon hinzu.