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Perfektionierung eines Luftgasfilters

Verbesserte Isolation und reduzierter Luftaustausch sind zwar entscheidend, um den Energieverbrauch eines Gebäudes zu senken, jedoch steigt so auch die Konzentration gefährlicher flüchtiger organischer Verbindungen in den Innenräumen. Im Projekt SENSINDOOR wird derzeit ein Lüftungssystem zur Lösung dieses Problems entwickelt.
Perfektionierung eines Luftgasfilters
Prof.  Andreas Schütze, Inhaber des Lehrstuhls für Messtechnik (LMZ) der Universität des Saarlandes, koordiniert das EU-finanzierte Projekt SENSINDOOR (Nanotechnology based intelligent multi-SENsor System with selective pre-concentration for Indoor air quality control), das über eine Laufzeit von Januar 2014 bis Dezember 2016 verfügt.

Ziel des Projekts ist die Entwicklung intelligenter, auf Nanotechnologie basierender Sensorsysteme, mit denen bei der bedarfsgesteuerten Lüftung von Innenräumen gezielt flüchtige organische Verbindungen (volatile organic compounds, VOC) überwacht werden können. Hier erörtert Prof.  Schütze die Erfolge und das Potential des Projekts bis heute.

Wie könnte sich die Sensortechnologie auswirken, die derzeit in SENSINDOOR entwickelt wird?

Der Energieverbrauch für Heizung, Lüftung und Klimatechnik (HLK) von Gebäuden wird in Industrieländern auf beinahe 50 % des gesamten Primärenergieverbrauchs beziffert. Durch verbesserte Isolation und reduzierten Luftaustausch kann eine wesentliche Senkung dieses Energieverbrauchs erreicht werden. Jedoch führt dies auch zu einer höheren Konzentration von Stoffen wie Formaldehyd, Benzol und Naphthalen, die aus Quellen innerhalb des Gebäudes stammen (Möbel, Teppiche, Farbe usw.). Da wir über 80 % unserer Zeit in Innenräumen verbringen, hat dies gewaltige Auswirkungen auf unsere Gesundheit – diese Stoffe können etwa zu akuten Atemwegserkrankungen und einem erhöhten Krebsrisiko führen. Mit bedarfsgesteuerter Lüftung können wir die VOC-Konzentration senken und so eine gesündere Innenumgebung sicherstellen.

Was waren bisher die wichtigsten Erfolge von SENSINDOOR?

Wir können in unserem Projekt auf drei Ebenen Erfolge vorweisen: Auf technologischer Ebene haben wir Technologien für Laserdeposition (Pulsed Laser Deposition, PLD) für gasempfindliche Schichten entwickelt, die auf verschiedenen Mikrosensorplattformen integriert werden sollen. Darüber hinaus haben wir Technologien für die Ablagerung von MOF-Schichten (Metal Organic Framework) auf Mikro-Heizplatten für Vorkonzentratoren erreicht. Auf Ebene der Sensorelemente haben wir neuartige Elemente entwickelt, die auf MOS-FET und SiC-FET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren und Siliziumcarbid-Feldeffekttransistoren) basieren und sich durch eine hohe Empfindlichkeit für schädliche VOC auszeichnen. Zudem haben wir ein integriertes Mikrosystem erstellt, dass Sensor und Vorkonzentrator in einem kompakten Aufbau kombiniert. Abschließend, auf Systemebene, haben wir die Sensorelemente und den Vorkonzentrator, der mit spezieller Elektronik für dynamische Operation und Auslesung ausgestattet ist, mit fortschrittlichen Algorithmen zur Datenauswertung kombiniert, um eine äußerst hohe Empfindlichkeit und Selektivität zu erreichen.

Was ist für Sie das wichtigste Ergebnis des Projekts bis heute?

Wir konnten erfolgreich ein integriertes Gassensor-Mikrosystem umsetzen, das einen Mikro-Vorkonzentrator enthält, um die Empfindlichkeit und Selektivität des VOC-Messsystems zu verbessern. Das neuartige Konzept wurde während der Projektvorbereitung entworfen, und die grundlegende Idee wurde sowohl durch Modellierung als auch durch erste experimentelle Tests validiert. Am wichtigsten ist für uns, dass dieses integrierte Mikrosystem kostengünstig umsetzbar ist und somit eine wirtschaftlich durchführbare Lösung darstellt, welche die selektive Messung bestimmter VOC auf ppb-Ebene ermöglicht, selbst wenn Störgase in hohem Maße vorhanden sind.

Welche Ziele möchten Sie bis zum Ende des Projekts noch erreichen?

Wir arbeiten derzeit an der Vereinigung all der unterschiedlichen technologischen Aspekte in einem einzigen Demonstrationssystem, das unter kontrollierten Laborbedingungen eingehend geprüft werden wird. Dann planen wir, Feldversuche in mindestens zwei verschiedenen Anwendungsumgebungen durchzuführen – einen in Schulen oder Kindergärten, einen in Privathaushalten.

Was sind die größten Herausforderungen, mit denen Sie im Projekt konfrontiert wurden?

Aus technologischer Sicht besteht die größte Herausforderung darin, alle verschiedenen Technologien und Komponenten in einem einzigen System zusammenzubringen, dabei die Kosten gering zu halten und unter realistischen Bedingungen einen stabilen Betrieb sicherzustellen – im Labor funktioniert es, aber reale Umgebungen sind viel komplexer und vielfältiger. Dies stellt besonders bei der Kalibrierung ein Problem dar, sodass diese – zumindest teilweise – vor Ort durchgeführt werden muss, um die lokalen Bedingungen berücksichtigen zu können. Die zweite große Herausforderung ist, die gemessenen Werte richtig darzustellen: Die meisten Menschen können mit „x ppb hiervon und y ppb davon“ nicht viel anfangen. Numerische Messwerte eignen sich zwar für die Lüftungssteuerung, wir benötigen jedoch auch eine einfache und intuitive Benutzeroberfläche, um den Anwender richtig zu informieren. Dies ist jedoch eine äußerst umfangreiche Aufgabe, die zielgerichtete Arbeit erfordert – in einem neuen Projekt.

Quelle: Gestützt auf ein Interview mit dem Projektkoordinator.

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