UV-C-LED-Module

Luft und Wasser mit Licht reinigen

4. März 2022, 8:52 Uhr | Nicole Wörner

Die Quecksilberlampe hat die medizinische Sterilisation revolutioniert. Bis heute spielen ultraviolette Strahlen eine wichtige Rolle bei der Desinfektion und Sterilisation von Innenräumen – erst recht seit Ausbruch der Corona-Pandemie. UV-C-LEDs eröffnen dafür zahlreiche neue Möglichkeiten.

Von Alain Bruno Kamwa, Rutronik und Nancy Yang, Lextar

Atemtropfen, Kontakt und Aerosole sind die Hauptübertragungswege von Covid-19. Die Sterilisation der Luft ist – neben Impfungen, Tests und den allgemeinen Corona-Regeln – ein wichtiges Mittel, um die Pandemie einzudämmen.

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Hierfür stehen zahlreiche Methoden zur Verfügung. Eine der einfachsten ist die direkte Bestrahlung durch UV-Lampen, wie sie z. B. in Krankenhäusern genutzt wird. Sie hat eine gute Sterilisationseffizienz, aber auch einige Mankos: Erstens müssen alle Menschen den Raum während der Sterilisation verlassen, da es zu gesundheitlichen Schäden führen kann, wenn die UV-Strahlen den Körper treffen. Zweitens ist für eine wirksame Sterilisation sehr viel ultraviolette Energie erforderlich.

Denn die UV-C-Strahlen, die für die Sterilisation infrage kommen (Bild 1), werden bei der Übertragung stark abgeschwächt: Die Dosisleistung auf einer bestimmten Fläche nimmt mit zunehmendem Abstand von der Strahlungsquelle umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands ab (Bild 2). Damit ist diese Methode für öffentliche Orte kaum geeignet.

Versteckte Luftreinigung

Moderne UV-C-LED-Lichtquellen eröffnen jetzt neue Möglichkeiten. Denn gegenüber den Quecksilberlampen haben sie bei denselben Volumeneigenschaften eine höhere Energiedichte und einen geringeren Stromverbrauch. Und da sie sehr klein sind, lassen sie sich einfach integrieren und ermöglichen „versteckte“ UV-Sterilisationsprodukte. Diese nehmen keinen Platz weg und müssen nicht separat gereinigt werden. Auf der Minusseite stehen höhere Kosten und eine begrenzte Lichtausbeute. Derzeit liegt die Lichtleistung einer einzelnen LED in der Regel noch im Milliwatt-Bereich. Damit kann sie nicht wie eine Quecksilberlampenröhre die Luft durch die Bestrahlung einer großen Fläche reinigen. Deshalb werden UV-C-LEDs mit anderen Methoden kombiniert, um Bakterien in der Luft abzutöten.

Aktuelle Ansätze beinhalten eine Luftumwälzung, einen Photokatalysator, UV-A-LEDs, einen hocheffizienten HEPA-Filter und ein UV-C-LED-Sterilisationssystem. Zur Luftumwälzung dient meist ein Lüfter, der die Raumluft zirkulieren lässt und die darin schwebenden Bakterien und Viren zum Filterelement im Entkeimungsraum treibt. Sie reichern sich an der Oberfläche des Filterelements an. Im Gegensatz zu klassischen Luftreinigern sammeln sie sich hier nicht nur, sondern werden durch die UV-C-LED unschädlich gemacht. Bei dieser Methode bleibt die Strahlung innerhalb des Geräts; deshalb ist es nicht nötig, dass Menschen den Raum während der Sterilisation verlassen.

Das UV-C-LED-Entkeimungsmodul LBM2101 von Lextar lässt sich durch seine kompakte Größe mit einem Durchmesser von 27 mm und einer Höhe von 12,7 mm in Luftreinigungsgeräte, Klimaanlagen und andere kompakte Endgeräte integrieren (Bild 3). Sein spezielles Design konzentriert die von der LED abgegebenen UV-Strahlen im Inneren des Geräts. Das erhöht die Wirksamkeit der UV-C-Strahlung und sorgt dafür, dass die Strahlung nicht austritt. Bereits nach einer Stunde erreicht die Sterilisationsleistung mehr als 99 Prozent, d. h. es werden über 99 Prozent der in der Luft befindlichen Viren und Bakterien unschädlich gemacht. Das Aluminiumgehäuse sorgt für eine hervorragende Wärmeableitung und erhöht so die Lebensdauer der LED.

Warum LEDs kein Ozon erzeugen
Im Zusammenhang mit Raumluftreinigungsgeräten wird immer wieder vor der Bildung von gesundheitsschädlichem Ozon gewarnt. Ionisatoren erzeugen Ozon, um Moleküle in der Luft, die als unangenehme Gerüche wahrgenommen werden, zu spalten und so die Gerüche zu beseitigen. Auch Geräte, die auf Basis von Elektrofiltern oder mit nichtthermischem Plasma arbeiten, können Ozon bilden. Das gilt jedoch nicht für Geräte, die auf der Wirkung von UV-C-LEDs basieren. Ozon besteht aus drei Sauerstoffatomen. Um das Gas zu erzeugen, muss die chemische Bindung des Sauerstoffs gebrochen werden. Hierfür muss die durch die Lichtquelle erzeugte Bindungsenergie größer sein als die von Sauerstoff, die bei 5,1 eV (Elektronenvolt) liegt. Eine Quecksilberlampe kommt auf eine Bindungsenergie von 6,7 eV. Damit kann sie Ozon erzeugen. Die Bindungsenergie einer UV-C-LED beträgt jedoch nur 4,5 eV, d. h. sie ist nicht in der Lage, Ozon zu bilden.

Warum LEDs kein Ozon erzeugen

Im Zusammenhang mit Raumluftreinigungsgeräten wird immer wieder vor der Bildung von gesundheitsschädlichem Ozon gewarnt. Ionisatoren erzeugen Ozon, um Moleküle in der Luft, die als unangenehme Gerüche wahrgenommen werden, zu spalten und so die Gerüche zu beseitigen. Auch Geräte, die auf Basis von Elektrofiltern oder mit nichtthermischem Plasma arbeiten, können Ozon bilden. Das gilt jedoch nicht für Geräte, die auf der Wirkung von UV-C-LEDs basieren. Ozon besteht aus drei Sauerstoffatomen.

Um das Gas zu erzeugen, muss die chemische Bindung des Sauerstoffs gebrochen werden. Hierfür muss die durch die Lichtquelle erzeugte Bindungsenergie größer sein als die von Sauerstoff, die bei 5,1 eV (Elektronenvolt) liegt. Eine Quecksilberlampe kommt auf eine Bindungsenergie von 6,7 eV. Damit kann sie Ozon erzeugen. Die Bindungsenergie einer UV-C-LED beträgt jedoch nur 4,5 eV, d. h. sie ist nicht in der Lage, Ozon zu bilden.

Autofahren ohne Ansteckungsrisiko

Das Coronavirus überlebt in der Luft bis zu drei Stunden, am längsten in Innenräumen. Um die Ansteckungsgefahr in Fahrzeugen zu reduzieren, etwa in Taxis, Carsharing-Fahrzeugen oder Bussen und Bahnen, hat Lextar ein Automotive-UV-C-LED-Desinfektionsmodul entwickelt. Es lässt sich mit der Klimaanlage des Fahrzeugs kombinieren, ohne deren Funktion zu beeinflussen, und zerstört 99 Prozent der Sars-CoV-2-Erreger.

Das Modul besteht aus einer UV-C-LED-Matrix, in der jede der 20 LEDs mit drei Reflektoren ausgestattet ist und so besonders energiereiche UV-C-Strahlen erzeugt (Bild 4). Dazu kommt ein Nano-Scale-Filter, der 99,53 Prozent (Toleranz: ±10 Prozent) der PM2,5-Partikel aus der Luft entfernt und so die Qualität der Innenraumluft verbessert. Das Modul ist mit aktuellen Auto-Filtersystemen kompatibel, sodass es ohne Modifikation ausgetauscht und entsprechend den Kundenwünschen angepasst werden kann.