Ionen gegen Aerosole

Nach einem Meeting am offenen Fenster stehen, einfach mal vor die Tür gehen.

Noch schöner: Endlich im Urlaub ab ins Gebirge oder an die See.

Kommt man beim Wandern an einen Wasserfall, möchte man gern verharren und gerade diese Luft genießen. Wir fühlen uns dort wohl.

Jeder von uns kennt mindestens eines dieser Bedürfnisse. Warum ist das so? Welche Methoden gibt es zur wirksamen Luftreinigung?

Die Erklärung liegt wie so oft in der Natur der Dinge:

In der freien Natur gibt es viele Ionen und aktiven Sauerstoff in der Luft. Abhängig vom Ort sind unterschiedlich viele von ihnen vorhanden. Aktiver Sauerstoff und freie Ionen entstehen durch elektrische Entladung. So zum Beispiel bei einem Gewitter. Danach spüren wir oft, dass die Luft frisch und sauber ist. Daher kommt wohl auch der Spruch: Eine Luft wie nach einem reinigenden Gewitter.

In einem Wasserfall herrschen unendlich große Kräfte. Moleküle zerreißen, wenn die Wassermassen viele Meter herabstürzen, auf Felsvorsprünge treffen, plötzlich ihre Geschwindigkeit und Flugrichtung ändern. Wasser enthält verschiedene Stoffe, Salze und Minerale, zum Teil in Lösung. Eine Lösung im Wasser zeichnet sich dadurch aus, dass Molekülgruppen „zerfallen“ und danach unterschiedliche Ladungen tragen, die in Summe wieder ausgeglichen sind. So löst sich dann Wasser in Wasser: H2O zerfällt in H+ und OH-. Sauerstoff und vieles mehr ist in Gewässern zu Hause. Und so kommt es, dass in einem Wasserfall viele kleine Partikel, winzige Wassertröpfchen mit Molekülen unterschiedlicher Ladung entstehen. Oft erkennen wir einen scheinbar „stehenden Schleier“ vor dem Wasserfall. Dann sind extrem viele Ionen in der Luft, nicht selten über 50.000 Ionen pro cm².

Im Gebirge und an der See, tragen wir Sonnenschutz auf. Dort herrscht eine erhöhte UV-Strahlung, vor der wir uns schützen müssen. Diese energiereiche Strahlung ist in der Lage, Luftmoleküle zu zersetzen und freie Ionen zu erzeugen.

Im Hochgebirge messen wir bis zu ca. 6.000 und an der See ca. 2.500 Ionen pro cm³, im Wald sind es ca. 1.500 und in Stadtregionen ca. 500 Ionen pro cm³.

In geschlossenen Räumen tendiert diese Zahl gegen Null. Das erklärt unter anderem die oben beschriebene Neigung, gern einmal das Fenster zu öffnen, um frische Luft hereinzulassen oder vor die Tür gehen zu wollen.

Positive Effekte von Ionen

Genau hier besteht der Zusammenhang zu den vorherigen Aussagen. Ionen in der Luft können das Wohlbefinden steigern, einen Genesungsprozess fördern und die persönliche Leistungsfähigkeit steigern. Und das aus zwei wichtigen Gründen:

Ionen sorgen für eine „saubere“, partikelarme und gesunde Luft.

Eine ionenreiche Luft fördert die Fähigkeit, mehr Sauerstoff im Blut aufzunehmen. Warum das so ist, können Mediziner und Lungenheilkundler sehr gut erklären. Trainieren Leistungssportler in Räumen mit angereicherten Ionen, wirkt sich das positiv auf die Ausdauerleistung aus. Es werden Leistungssteigerungen in der Ausdauer um 40 % erzielt, Spitzenleistungen wurden um 10 % gesteigert. Negative Auswirkungen konnten nicht nachgewiesen werden (Quelle Hochschule Luzern).

Die Entstehung partikelarmer Luft aus technischer Sicht lässt sich so erklären: Wir alle kennen diesen Effekt – ein Plastikstab lässt sich durch Reibung statisch aufladen und damit können wir dann Papierschnipsel aufheben. Das ist möglich, weil der Plastikstab durch die Reibung eine elektrische Aufladung erhält, das Papier aber eine andere Ladung hat. Teilchen unterschiedlicher Ladung ziehen sich an. Nach einer Weile fallen die Schnipsel wieder ab, weil sich die Ladungen angleichen und die Schwerkraft eine größere Kraft auswirkt als die elektrostatische Anziehungskraft.

Vielleicht erinnert sich jemand noch an den Physikunterricht, bei dem eine elektrische Ladung an einem Bandgenerator mit zwei Kugeln erzeugt wurde. Wenn während des Prozess des Aufladens der oder diejenige mit den längsten Haaren in der Klasse mutig war, sich von Anbeginn an einer der beiden Kugel festzuhalten, standen die Haare förmlich zu Berge. Das ist so, weil Teilchen gleicher Ladung sich abstoßen, die Haare erhalten alle die gleiche Ladung. Ein schönes Bild, um diesen Effekt zu erklären.

„Künstliche Ionen“ mit Elektrizität erzeugen

Führen wir in geschlossenen Räumen Ionen mit Geräten, die Ionenerzeugen, zu, laden sich die Partikel in der Raumluft an den Ionen auf. Haben alle die gleiche Ladung, stoßen sie sich voneinander ab. Diese „geladenen Partikel“ in der Raumluft haben nun den Drang, sich mit Teilchen anderer Ladung zu verbinden. Wie bei einem Plattenkondensator sammelt sich an jeder Seite eine Art von Ladung und erzeugt eine Spannung zwischen beiden Flächen. Die geladenen Teilchen der Raumluft sedimentieren an Wand und Boden, auch in Form von Wollmäusen, und hinterlassen eine partikelfreie Raumluft zum Atmen.

So können wir die ionisierte Raumluft gleich doppelt genießen: Erstens, es wird kein Staub mehr eingeatmet. Partikel bis hin zum Feinststaub – den keine klassische Filtermatte erfassen kann – werden so aus der Atemluft entfernt. Zweitens, Ionen tragen zu einem gesünderen Raumklima bei.

Denn inzwischen wird Feinstaub (Partikel < 2,5 µm) auch in Zusammenhang mit Herz-Kreislauf- und sogar Demenzerkrankungen gebracht. Umso mehr ein Grund, ihn aus der Raumluft zu verbannen. Und nun haben wir aktuell noch die Gefahr der Tröpfcheninfektion und Covid-19-Erkrankungen über Aerosole in der Raumluft hinzu bekommen.

Aerosole sind in der Luft fein verteilte feste und flüssige Teilchen minimaler Größe. Auf Grund ihrer minimalen Masse und Maße schweben diese oft stundenlang im Raum. Aerosole lassen sich bemerken, wenn man hinter einer Person läuft, die ein Duftwasser aufgelegt hat. Den markanten Geruch bemerkt man auch dann noch, wenn sich die Person bereits mehrere Meter entfernt hat. Kleinste Moleküle des Parfüms, die in der Luft schweben bleiben, ergeben diesen Duft. Würden diese sofort zu Boden fallen, könnten wir sie nicht mehr riechen.

Corona-Viren lagern sich an andere Aerosole an und gelangen bei einer Tröpfcheninfektion durch normales Einatmen in unseren Körper. Im Juli 2020 veröffentlichte die TU Berlin eine Studie, aus der hervorgeht, dass beim Singen ein Vielfaches mehr an Aerosolen ausgeatmet wird, als beim Sprechen. Das ist besonders für Chöre in Bezug auf latente Infektionsgefahren über Aerosole relevant.

Technologien zur Bekämpfung von Keimen

Seit nunmehr über 20 Jahren wird auf dem Gebiet der Ionisierung geforscht. In Deutschland hat 2004 Dipl.-Ing. Jörg Lehmann aus Kesselsdorf ein Patent für „Verfahren zur Aktivierung von Luftsauerstoff zum Abbau von VOC-Lasten und Keimen in geschlossenen Räumen sowie zur Aufrechterhaltung einer naturadäquaten Sauerstoffionen- und Ozonkonzentrationen“ entwickelt und angemeldet. VOC-Lasten sind Belastungen organischer Substanz in der Luft.

Diese „Lehmannsche Technologie“ wird in Krankenhäusern in Dresden bereits seit 2003 und Eindhoven (NL) seit 2008 in OP-Räumen eingesetzt. Die Anzahl der mineralischen Partikel in diesen Räumen konnte durch diese Technologie auf maximal 59 Stück pro Kubikmeter gesenkt werden. Das entspricht Reinsträumen in der Chipindustrie. Durch eine zusätzlich geregelte Sauerstoffaktivierung ist die Anzahl der nachweisbaren Keime durchweg auf null gesunken.

Bei der Bekämpfung von Keimen in Räumen sind grundsätzlich zwei Herangehensweisen bekannt.

1. Die Desinfektion bei akuten Kontaminationen, zum Beispiel in einem Krankenhaus, wenn nach dem Aufenthalt eines infektiösen Patienten das komplette Zimmer samt Inventar von den Keimen befreit werden muss. Dabei wird oft auf die Technologie der Vernebelung von desinfizierenden Gasen/Aerosolen zurückgegriffen. Diese Akutdesinfektion kann zum einen mit desinfektionsmittelhaltigen Aerosolen erfolgen, die Rückstände an den Oberflächen hinterlassen können. Zum anderen wird zunehmend für die Akutdesinfektion auf die Vernebelung von hohen Konzentrationen an aktiviertem Sauerstoff (O3) zurückgegriffen. Der Aktivsauerstoff hat den Vorteil, dass er als Gasmolekül in kleinste Ritzen kommt und dort effektiv Viren und sonstige Keime ohne Resistenzbildung durch Oxidation vernichtet. Er zerfällt später – mit technischer Hilfe etwas schneller – oder von allein nach gewisser Zeit wieder in normalen 2-atomigen Luftsauerstoff und hinterlässt so keine schädlichen Rückstände. Diese Technologien werden von in der Regel selbständig arbeitenden „Robotern“ in versiegelten Zimmern durchgeführt. Über eine ähnliche Ausbringung von Desinfektionsmitteln im gesamten Theaterraum hat jüngst das BE in Berlin berichtet. Bei dieser Akutdesinfektion sollte sich während der Behandlung grundsätzlich niemand in den Räumen aufhalten, weil Desinfektionsmittel in hohen Konzentrationen die Gesundheit beeinträchtigen können. Diese Methode eignet sich sehr gut, um eine akute Kontamination zu behandeln.
2. Im Vergleich zur Akutdesinfektion ist eine dauerhafte Raumionisierung zur Vorbeugung einer Aerosolinfektion, z. B. mit Covid-19, besser geeignet. Eine Ansteckungsgefahr ist latent gegeben, wenn sich mindestens eine infizierte Person mit anderen in einem Raum aufhält. Deshalb ist es sinnvoll, Aerosole mittels Ionisierung über die gesamte Zeit des Personenaufenthaltes in den Räumen aus der Raumluft zu verbannen.

Bedarfsgerechte Auslegung – auch für die Nachrüstung

Fast jede raumlufttechnische Anlage kann mittels Nachrüstung zur künstlichen Ionenanreicherung modernisiert werden. Ionisierungsmodule und gesteuerte Sauerstoffaktivierung können grundsätzlich immer nachgerüstet werden. Der einmalige Installationsaufwand richtet sich nach der Größe der Lüftungsanlage, Raumgröße und Nutzungsart. Die laufenden Betriebskosten hierfür sind äußerst gering. Es sind oft nur wenige hundert Watt für die Steuerung, den Betrieb der Sauerstoffaktivierung und Ionisierung für ein gesamtes Opernhaus notwendig. Die Anlagenintensität für die Sauerstoffaktivierung regelt sich automatisch nach verschiedenen Betriebsparametern bzw. dem im Moment abgeforderten Luftvolumen. Hierbei liefern Sensoren über Strömungsgeschwindigkeiten und bei komplexen CO2-gesteuerten Umluftanlagen sogar Luftqualitätssensoren die Betriebsparameter der Sauerstoffaktivierung. Je komplexer die Sensorik die Zustandsdaten für die Gesamtanlage liefert, umso effizienter kann letztendlich die Raumluftanlage betrieben werden. Hier werden die meisten Energieeinsparpotenziale für viele Jahre gehoben. Bei Ersatzinvestitionen oder Erstauslegungen für neu zu errichtende RLT-Anlagen in Gebäuden können nach vorheriger ausführlicher Simulation oft kleinere RLT-Anlagen verbaut werden als ursprünglich geplant. Das führt in der Regel zu einer Senkung der Investitions- und Betriebskosten für die Lüftungsanlage.

Die im Vorfeld eingesetzten Simulationsprogramme begleiten die planerische Auslegung nach geltenden Vorschriften und Normen. In dem Simulationsprogramm können unterschiedlichste Nutzungsarten berücksichtigt werden. Unterschiede, wie in einem reinen Bürotrakt, einem Sportstudio mit hohem CO2-Aufkommen, in einem leeren Theatersaal bei kleiner Probe mit wenig Beteiligten oder in einem vollen Haus und großer Besetzung, können einfließen. Hier muss die RLT-Anlage ihr ganzes Können unter Beweis stellen, und es kommt bestenfalls zu einer idealen Auslegung mit Einsparungen in den Investitionskosten, weil eine kleinere Anlage ausreichend Leistung bereits in der Simulation nachweist.

Es gibt auch einfachere, dezentrale Einheiten, die autark – ohne zentrale raumlufttechnische Anlage – nachträglich eingesetzt werden können.

Die Kosten für kleine Räume reichen von wenigen hundert Euro bis zu hohen fünfstelligen Beträge für große RLT Anlagen.

Was beim Training von Sportlern positiv hilft und in OP-Räumen die Keime fernhält, sollte in Theatern erst recht die Welt erlebenswert machen. Auf diese Weise können die geforderten hygienischen Standards in Zuschauerräumen, auf der Bühne, in Proberäumen – praktisch in allen Innenräumen erfüllt werden.

Nicht vergessen: Der Aufenthalt und Sport an frischer Luft sind gesund. Mit Ionenerzeugern in RLT-Anlagen lässt sich eine Innenraumluft herstellen, die der Gesundheit zuträglich ist – eine sinnvolle Technologie. In diesem Sinne:

Bleiben Sie gesund!

https://1st-selection.eu/ionisierung

Roland Krüger
Geschäftsführer der 1st SELECTION GmbH

Quellen:

Hochschule Luzern: „Ionisierte Luft im Innenraum“ Jan Eckert, Sibylla Amstutz, Rüdiger Külpmann, Kurt Hildebrand, Peter Schwehr, 2013. https://www.hslu.ch/en/lucerne-school-of-engineering-architecture/research/competence-centers/typology-and-planning/publikationen/

TU Berlin:

Quelle: https://depositonce.tu-berlin.de/bitstream/11303/11490/5/muerbe_etal_2020_aerosole-singen.pdf