Ein Teil des ultravioletten Lichts ist ideal, um Viren und Bakterien abzutöten. Für die Desinfektion glatter Oberflächen und von Wasser wird es deshalb seit Jahrzehnten eingesetzt. Allerdings werden dafür veraltete Technologien mit Quecksilberdampflampen genutzt. Seit kurzem können aber auch LEDs eingesetzt werden, um die gewünschte, keimabtötende Strahlung zu erzeugen. Das Fraunhofer IOSB-AST forscht intensiv, um diese vielfältigen Vorteile der LEDs zu nutzen. Ergebnisse sind unter anderem medizinische Desinfektionslösungen für Smartphones, Rettungswagen und Endoskope.

Strahlung kann tödlich sein. Das gilt unter anderem für das ultraviolette Licht UV-C. Seine Wellenlänge ist mit weniger als 280 Nanometern so kurz, dass sie deutlich unterhalb des für Menschen sichtbaren Spektrums liegt. Dass dieses Licht derzeit so viel Beachtung findet, hat unter anderem mit der durch Covid-19 verursachten, weltweiten Pandemie zu tun. Denn Strahlung im UV-C Spektrum tötet Viren und Bakterien wie SARS-CoV (kann aber nach unsachgemäßer Nutzung auch das Erbgut von Menschen schädigen). Bindungen wie vor allem Thymin in den Nukleinsäuren der DNA werden durch UV-C-Licht aufgespalten und verklumpen. Diese Mutation verhindert dann jede weitere überlebensfähige Zellteilung zuverlässig. Eine sachgemäße Bestrahlung mit UV-C gewährleistet eine Desinfektionsquote von mindestens 99,99 Prozent.

Angewandt wird dieses Keim-Killer-Licht bereits seit über 100 Jahren. Quecksilberdampflampen, die Strahlen mit Wellenlängen um die 254 Nanometer emittieren, werden seither tagtäglich in Kliniken und Arztpraxen zur Desinfektion eingesetzt. Auch, wenn seine tödliche Wirkung nur im Wasser, in der Luft oder auf glatten Oberflächen wirkt, weil es hier ungehindert auftreffen kann: die Einsatzmöglichkeiten dieses Lichts sind theoretisch immens. Dies könnte also eine deutlich umfangreichere Ergänzung der Hygiene-Maßnahmen zur Bekämpfung von Ansteckungen durch SARS-CoV-2 sein. Das Problem: Quecksilberdampflampen sind bei weitem nicht so flexibel einsetzbar, wie das eigentlich nötig wäre.

Quecksilberdampflampen nicht mehr zeitgemäß

Die Gründe dafür sind vielfältig. Unter anderem dauert es – genau wie bei Energiesparlampen – eine gewisse Zeit, bis sie aufgewärmt und voll einsatzfähig sind. Zudem sind Quecksilberdampflampen vibrationsempfindlich und ihr Licht ist kaum steuerbar: weder bei der gewünschten, exakten Intensität der Strahlung noch bei deren Ausrichtung und insbesondere nicht hinsichtlich der Wellenlänge.

All diese Nachteile macht der Einsatz einer LED wett. Und sie hat auch noch einige weitere Vorzüge. »Neben ihrer Langlebigkeit können LEDs im Unterschied zu Quecksilberdampflampen mittlerweile gezielt im optimalen Wirkbereich arbeiten, der zwischen 265 und 270 Nanometern liegt«, sagt Thomas Westerhoff vom Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB - Institutsteil für angewandte Systemtechnik (AST). Das habe zur Folge, dass eine geringere Bestrahlungsdosis ausreicht, um dieselben oder auch deutlich bessere Desinfektions-Wirkungen zu erzielen. Zudem können LEDs beliebig auf einem Träger angeordnet werden. Und ihre Emission kann relativ genau gesteuert werden. Denn LEDs geben ihr Licht nicht rundum, sondern gezielt ab. »Mit dem Einsatz von LEDs tauschen wir also ein grobes Messer gegen ein Skalpell«, resümiert Westerhoff.

Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten

Es gibt also eine Vielzahl von Gründen für Westerhoff und sein Team, an den Einsatzmöglichkeiten der LED-Technik für die Desinfektion mit UV-C-Licht zu forschen. Und es gibt aktuell auch sehr offensichtliche und wichtige Erfolge: Dazu gehören unter anderem eine Vorrichtung, um Smartphones oder Tabletts schnell und sicher mit UV-C-Licht zu desinfizieren sowie eine spezielle Desinfektionslösung für Rettungswagen. In beiden Fällen nutzen die Anwendungsforscher am Fraunhofer IOSB-AST die neue Flexibilität, die durch den Einsatz moderner UV-C-LEDs möglich wird: Sie arbeiten mit vibrationsfesten und in ihrer Stärke individuell variierbaren, kompakten Lichtsystemen und einer Elektronik, die nun erstmals die Möglichkeit bietet, Bestrahlungsobjekte eindeutig zu erkennen und die Bestrahlungsintensitäten elektronisch zu überwachen. »So kann beispielsweise ein Krankenhaus nachweisen, welche Smartphones und Tabletts wann zum letzten Mal desinfiziert wurden, damit sie wieder für die nächste Visite genutzt werden können«, erklärt Westerhoff.

Das Institut entwickelte einen schon für Quecksilberdampflampen genutzten Kasten zur Kleinteil-Desinfektion weiter, sodass auch Smartphones und Reader nun mit LEDs schnell und zuverlässig desinfiziert werden können. Bild: Thomas Westerhoff | Fraunhofer IOSB-AST

Die »Mikrowelle« für’s Handy

Das Klemmbrett ist passe, im medizinischen Bereich gehören Smartphones und Tabletts natürlich längst zur Standardausrüstung: vom Erfassen und Nachschlagen patientenspezifischer Informationen bis zur Steuerung von Assistenzfunktionen bei der Versorgung oder bei Operationen. Die anschließende, obligatorische Reinigung ist Dank der Beschaffenheit der Oberflächen zwar einfach, chemische Desinfektionsmittel greifen die Displays aber an und führen nach und nach zum Defekt. Am Fraunhofer IOSB-AST haben die Forscherinnen und Forscher deshalb einen schon für Quecksilberdampflampen genutzten Kasten zur Kleinteil-Desinfektion deutlich weiterentwickelt. Statt der klassischen Lampe strahlen nun zwei separate UV-C-LED-Module mit jeweils 10 UV-C-LEDs für die Ober- und Unterseite des Smartphones oder Tabletts. Jede UV-C-LED besitzt eine UV-Leistung von 100 Milliwatt und arbeitet mit einer Wellenlänge von 269 Nanometer. Innerhalb weniger Sekunden erreicht diese Art »Mikrowelle« damit eine Bestrahlungsdosis von 800 Joule je Quadratmeter. Nach spätestens einer Minute sind alle erreichbaren Bakterien und Viren abgetötet.

»Das ist deutlich effektiver und zuverlässiger als das, was derzeit an Produkten oft auf dem Markt angeboten wird«, sagt Westernhoff. Und er betont: »Parallel dazu identifizieren wir mit unserem Apparat NFC-fähige Smartphones über einen Reader, so dass jeder Desinfektionsvorgang validierbar und dem jeweiligen Gerät eindeutig zuzuordnen ist.« Nachgelagerte IT-Systeme könnten dann zudem per W-LAN und Webinterface integriert werden, sagt Westerhoff.

Im Katastrophenfall kann ein Rettungswagen auch auf dem Weg zum nächsten Einsatz nahezu vollautomatisch durch LEDs desinfiziert werden. Bild: BINZ Ambulance- und Umwelttechnik GmbH Ilmenau

Desinfektion während der Einsatzfahrt

Fast noch bedeutender ist die Desinfektion von Oberflächen und der Luft im Innenraum von Rettungswagen mit Hilfe von UV-C-LEDs. Dank eines speziell entwickelten modularen, aber fest verbauten Lichtbaukastens lässt sich nun der gesamte, leere Kabinenbereich mit einer Energie von 800 Joule bestrahlen und innerhalb von nur zehn Minuten behandeln. »Im Katastrophenfall kann der Rettungswagen also auch auf dem Weg zum nächsten Einsatz nahezu vollautomatisch desinfiziert werden, was kostbare Zeit spart«, erklärt Westerhoff. Natürlich ist das Fahrzeug dann nicht sauber, aber eine nahezu Keimfreiheit, zumindest an vom UV-Modul direkt oder indirekt über Reflektoren erreichbaren Instrumenten oder der Liege, sei nun gewährleistet.

Marktreife Entwicklung

Die ersten UV-C-Rettungswagen werden vermutlich bereits ab Herbst angeboten, der Apparat zur Smartphone- und Tabletdesinfektion könnte noch im September 2020 vorgestellt werden. Parallel dazu werden die Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer IOSB-AST im Rahmen des BMBF-Programms »Advanced UV for Life« in einem größeren Konsortium weiter an Anwendungen für UV-C-Technologien im Bereich der Desinfektion, aber auch von Medizin, Umwelt und Life Science arbeiten. Entwickelt werden soll dabei unter andrem auch ein Desinfektionsgerät für Beatmungsgeräte und Atemschutzmasken und eine Möglichkeit, die umgewälzte Luft in Kühllastern keimfrei zu reinigen.

(hen)

Kommentare

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  1. 1
    Beckmann

    Hallo, danke für die Mitteilung, dass die LEDs langsam nachrücken.
    Ich vertraue noch auf Quecksilberdampfentladungslampen , aber freue mich auf die UVC- LEDS bzw. eine dann gelungene höhere Leistung.
    BItte, nach welchem Prinzip wird das Ozon am Glaskolben gebildet? Können LEDs auch Ozon als Nebenprodukt bilden, oder wird das durch die spezifische Wellenlänge des Lichtes von vornehherin unterbunden?
    Denn in den Desinfektionskästchen wäre das ja sogar hilfreich und dürfte gar einen Feldversuch mit 1 Mrd. Menschen hinter sich haben.
    Letzteres ist nur Vermutung, aber nach offiziellen Angaben gibt es keine Probleme mehr mit SARS-CoV-2 in China, und irgendwier muss das ja geklappt haben. Ich vermute: mit Ozon.
    MfG
    Beckmann
    Nachhilfe (zu buchen bei TUTORSPACE.de, Mannheim)

    Antworten
    1. 2
      InnoVisions Redaktion

      Sehr geehrter Herr Beckmann,
      ja die UVC-LEDs sind aktuell noch recht leistungsschwach, allerdings ist ihre Emissionswellenlänge nicht auf die 254nm beschränkt, die Quecksilberdampflampen haben. Bei LEDs kann man durch den strukturellen Aufbau und entsprechende Dotierung der Halbleiter auch Wellenlängen erzeugen, die im Bereich zwischen 260 und 270nm liegen. Hier ist die DANN am empfindlichsten und die Desinfektionswirkung bei gleicher Dosis größer. Zudem ist das Spektrum der LED deutlich breiter, wodurch mehr Wellenlängen in diesem Bereich abgedeckt werden. Durch diese beiden Mechanismen kann die aktuell noch geringe Leistung der UVC-LEDs teilweise kompensiert werden.

      Quecksilberdampflampen besitzen zwei markante Emissionslinien bei 54nm und 185 nm. Insbesondere die 185nm Linie erzeugt Ozon. Daher wird versucht, diese Linie herauszufiltern. In der Regel werden hierzu speziell dotierte Quarzgläser als Kolbenmaterial für Quecksilberdampflampen eingesetzt. Wie gut diese Abschirmung funktioniert ist natürlich vom Hersteller der Lampe abhängig.

      Ozon entsteht bei LEDs keines. Hierzu wären Wellenlängen kleiner 240 nm nötig, die aber im Emissionsspektrum der aktuellen LEDs nicht vorhanden sind.
      Ozon ist ein starkes Reizgas, welches schon in sehr geringen Konzentrationen unangenehm riecht. Daher sollte man vermeiden, es zu erzeugen.

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