*rC3 Vorspannmusik*
Herald: Die vor der Industrialisierung waren die CO2 Werte in der Atmosphäre
relativ stabil. Seitdem sind sie nur noch gestiegen. Unser nächster Redner,
Sebastian Pischel, erklärt uns unter anderem verschiedene Möglichkeiten dieses
farblose unsichtbare Gas zu messen. Bitte heißen Euch Sebastian herzlich willkommen.
Sebastian: Ja, hallo RC3. Mir hat leider mein Betriebssystem meine Präsentation ein
wenig beschädigt. Deswegen wird das ein bisschen holpriger als geplant. Aber wir
haben ja eine Remote Chaos Experience und damit wird das auch dem Motto gerecht.
Also dann fangen wir mal an. CO2 messen. Etliche Vorträge haben ja sowohl das Thema
CO2 im Kontext von Klimaerhitzung als auch im Kontext der Coronakrise behandelt. Und
ich möchte hier ein bisschen die Hintergründe beleuchten und eine Brücke
schlagen zwischen dem, was einen als Maker interessiert, was wenn man mit der
Hardware spielt und was tatsächlich als Prinzip im Hintergrund abläuft. Dann sehen
wir da ein ziemlich großes Gerät und ein Piktogramm für ein in der Regel sehr
kleines Gerät. Wir schauen jetzt in Kürze an, was die miteinander gemeinsam haben.
So, warum will man überhaupt CO2 messen? Man möchte sich anschauen, wie sich unser
Klima weiterentwickelt, man möchte z.B. in Gewächshäusern für kontrollierte
Wachstumsbedingungen sorgen. Wir haben das Thema mit künstlicher Beatmung in
medizinischen Notfällen. Da möchte man die Vitalparameter messen, aber auch was
tatsächlich in den Atemgasen vorgeht. Das Messen von oder die Überwachung von
Abgasen von industriellen Anlagen, von Kraftwerken, ist relevant. Man möchte
wissen, ob man eventuell in einem Bergbau gefährliche CO2-Konzentrationen hat und
z.B. auch bei der Bierbrauerei wird auch CO2 frei. Und das, wenn sich das im Keller
anreichert, kann das gefährlich werden. Wo begegnet uns CO2 im Alltag? Wir kennen
Sprudelwasser. Wir kennen das als Verbrennungsprodukt von sämtlichen
Verbrennungen. Wir kennen es als Autoabgase, wir kennen es als
Kraftwerkabgase. Das mit dem Kaffee ist vielleicht ist für uns Nerds natürlich
wichtig, die wenigsten trinken wahrscheinlich koffeinfreien Kaffee. In
der Tat wird CO2 in dem einen sogenannten überkritischen Zustand, also unter sehr
hohem Druck dazu verwendet, Koffein zu extrahieren aus Kaffeebohnen. Darunter
sehen, ist unten links äh unten rechts in der Ecke ist Trockeneis. Das haben wir
gerade mehrfach in den Medien gehabt, weil das benötigt wird, um den aktuellen oder
die aktuell entwickelten RNA-Impfstoffe zu kühlen und zum Betreiben von
Getränkezapfanlagen. Und tatsächlich in Backpulver wird auch CO2 freigesetzt. Wo
CO2 auch noch eine Rolle spielt, ist tatsächlich massiv in unseren Ozeanen, der
Großteil vom CO2 ist nämlich tatsächlich nicht in der Atmosphäre, sondern im Ozean
gebunden, in einem Gleichgewicht aus dem gasförmigen CO2 und den verschiedenen
Stufen der Kohlensäure bis hin zum Kalk, aus denen zum Beispiel Muscheln ihre
Schalen bauen. Und dass wir keine so hohen CO2-Level in der Atmosphäre sehen, wie wir
eigentlich sehen müssten, das liegt maßgeblich daran, dass der Ozean eine
Menge davon bindet und das wegpuffert. So, jetzt muss ich in meinen Folien springen,
fürchte ich. Gut. Als Mensch hat man natürlich auch ein Interesse daran, nicht
zu viel CO2 einzuatmen, weil man eben tatsächlich auch medizinische Beschwerden
bis Vergiftungserscheinungen erleiden kann. *Mikroaussetzer* ...präge oder hat
man im Endeffekt das gleiche Ergebnis, als wenn man sich so ein CO2 Sprudelgerät, was
man in der Küche zum Mineralwasser produzieren nimmt und damit CO2
absichtlich ins Wasser rein drückt. Das was ähnliches passiert dann im Ozean auch
und man hat im Prinzip Kohlensäure im Ozean und damit wird dieses Gleichgewicht
wieder umgekehrt und die Muschelschalen aufgelöst. Das ist eins der größeren
Probleme, die wir noch in Zukunft haben werden. Jetzt der Brückenschlag zum Thema
CO2-Ampel. Als Mensch atmet man Luft ein und aus. Stickstoff, Sauerstoff, wissen
wir. 78% Stickstoff, 21% Sauerstoff, ein paar, ein bißchen Spuren CO2, so 0,5%
aktuell. Und ausgeatmet wird eben ungefähr 17% Sauerstoff, 4% CO2 und je nachdem
Wasserdampf. Und eben auch beim Husten, Singen, wie wir gelernt haben dieses Jahr,
auch sogenannte Aerosole. Das heißt einfach feine Partikel, die in der Luft
schweben können, meistens Tröpfchen. Und die Idee ist das tatsächlich, sollte ein
Mensch mit dem SARS-CoV-2 Virus infiziert sein, während er oder sie tatsächlich CO2
ausatmet, auch gleichzeitig das Virus ausscheidet und man sozusagen das CO2 oder
auch die hier noch genannten flüchtigen organischen Verbindungen als
Platzhalter nimmt dafür, weil man das Virus nicht direkt nachweisen kann. So,
dann kommen wir zurück zu dem Eingangsbild. Dieses große Instrument ist
das Mauna Loa Oberservatorium. Steht auf einem Berg in Hawaii auf 4000 Meter Höhe
und damit relativ weit vom Meeresspiegel entfernt und von auch sämtlichen Wolken,
die eben mit Wasserdampf die Messung beeinträchtigen können. Der Mensch oben
rechts in der Ecke ist Herr Charles Keeling. Der hat dieses Observatorium 1953
mitbegründet und über 50 Jahre lang geleitet. Und diese Kurve ist auch bekannt
als Keeling-Kurve, ihm zu Ehren und zeigt die Entwicklung der CO2-Konzentration über
die Jahre. Wir fangen hier an bei ungefähr 1960 und bis in die aktuelle Zeit. Und wir
haben einen Anstieg um 100 ppm ungefähr. Auch sehr schön in der Vergrößerung sieht
man, dass es über den Jahr, über ein Jahr schwankenden Zyklus gibt. Und das ist
sozusagen die Entwicklung. Und der ein oder andere hat vielleicht auf Social
Media dieses Meme mitgekriegt: "Ich bin geboren worden bei 384 ppm" oder sowas.
Das ist sozusagen die Kurve, die diesen ppm Wert in ein Jahr überführt. Jetzt
sieht das irgendwie erstmal nicht so super schlimm aus. Aber wenn wir jetzt auf der
Zeitachse ein bisschen raus gehen, dann landen wir, sehen wir, da ganz, ganz am
rechten Rand ist so eine Linie, die quasi senkrecht hochgeht. Das war gerade diese
Keeling-Kurve und davor diese schwankende Zick, diese hoch und runter schwankende
Linie sind Messungen aus Eisbohrkernen und der Verlauf der CO2-Konzentration in der
Atmosphäre über die letzten, also hier dargestellt, 800.000 Jahre. Das heißt, man
sieht, bevor wir Menschen auf der Erde gelebt haben, ging das immer in einem
Bereich hoch und runter. Und dann ausgerechnet auf der Spitze einer Warmzeit
setzt die Industrialisierung ein und der CO2 Wert schießt in die Höhe. Gemessen
wird das eben nicht nur durch eben z.B. das Observatorium am Boden, sondern auch
unterstützt durch Satelliten, die eben auch noch aus dem Weltraum durch die
Atmosphäre durchschauen. So, jetzt ist die Frage wie funktioniert das eigentlich? Man
sieht schon, die Sonne hatte einen zentralen Dreh- und Angelpunkt. Kommen wir
zum Thema kurz Spektroskopie. Die klassische Variante ist die obere Hälfte.
Man hat eine Lichtquelle, schickt die durch ein Prisma durch und beobachtet mit
einem Objektiv. Was dann, was diese Lichtquelle tatsächlich für
Spektralkkomponenten hat. Und indem man dieses Pris... dieses Objektiv über den
Regenbogen, der da aus dem Prisma rauskommt, verschiebt, kann man dann eben
die verschiedenen Spektralfarben sich ansehen. Unten ist dann die ganze Variante
doch eher computerisiert. Und dann hat man eben auf der linken Seite eine, ja
meistens eine tatsächlich Halogen Wolfram Glühbirne, die durchstrahlt 'ne Probe,
dann wird das durch einen schmalen Schlitz geleitet, dass man eine scharfe Auflösung
hat und über ein Beugungsgitter wird das ganze in die spektrale Anteile Fall
zerlegt und hier eben durch ein Dioden Array also durch ein Photondioden-Array
dann ausgelesen. Und dann bekommt man z.B. so ein Spektrum wie dort dargestellt ist.
Wenn man jetzt das mit der Sonne macht, bekommt man ungefähr diesen Verlauf. Man
kennt noch aus dem Physikunterricht in der Schule, dass die Theorie, dass der
Schwarzkörperstrahlung und das passt auch ziemlich gut zu dem, was aus dem Sonnen
Spektrum raus kommt, das ist tatsächlich dieses orangefarbene Muster ist das
Lichtspektrum außerhalb der Erdatmosphäre gemessen. Wenn man das jetzt aber auf der
Erde macht, stellt man fest. Hoppla, da sind ja solche, da sind solche doch
erheblichen Kerben in diesem Spektrum drinne. Das sind tatsächlich Beiträge,
Absorption-Beiträge von Teilen der Atmosphäre. Also vieles davon ist
Wasserdampf und das CO2 tatsächlich das, was uns am Schluss wirklich interessiert.
Das kommt noch ein Stückchen weiter nach rechts im Infrarot. Also wir sehen halt
den Regenbogen des sichtbaren Lichts und daran anschließend dann eben das Nah-
IR, Ferne-IR und mit immer geringeren Amplituden. Jetzt unten ist diese
Wellenlängen-Skala noch weiter verlängert. Also wir sind jetzt bei 2 Mikrometer bis
16 Mikrometer, das ist schon thermisches IR, wie man sagt. Relativ fernes Ethan
Infrarotstrahlung. So ganz am linken Rand sind noch Wellenlängenbereiche, die man so
kennt aus CD-Playern oder Glasfaser- Netzwerkeitung irgendwie so um ein
Mikrometer herum und dann immer längerwellig werden dann eben die
Absorption von den Gasen, die uns interessieren. Oben ist eine Darstellung
des CO2 Moleküls. Das ist ein lineares gestrecktes Molekül. Also quasi wieso drei
Perlen einer Perlenkette. Und die können, wenn man sich das genau anguckt, können
die auf verschiedene Art und Weisen zur Schwingung angeregt werden. Ganz oben
links so hellblau unterlegt ist eine symmetrische Streckschwingung. Die ist
tatsächlich nicht, man sagt IR-aktiv, also sie die nimmt keine IR-Strahlung auf oder
keine Licht-Anregung auf, sondern ist im sogenannten Raman-Spektrum zu
sehen. Das ist dann was für Molekül- Schwingungs-Spektroskopie. Das ist uns
jetzt gerade nicht so wichtig. Das interessante ist, die oben rechts, die
asymmetrische Schwingung und das ist der scharfe Peak bei 4,5 Mikrometern ungefähr.
Also der rote Peak links in der Mitte, so halblinks in der Mitte relativ deutlich zu
sehen CO2 und die unteren beiden Schwingungen. Das ist quasi wenn man diese
Perlenkette., dieses lineare Molekül, zu so einem kleinen Boomerang verbiegt. Zu so
einem kleinen Winkel. Diese Schwingungen sind dann auf der rechten Seite als so ein
breites Linien-Muster zu sehen. Das ist tatsächlich so weit weg, dass es eher
schwierig zu vermessen ist, während diese 4,5 Mikrometer noch halbwegs erreichbar
sind. So, und jetzt geht's tatsächlich zu den Sensoren. Und zwar möchte ich mich
hier fokussieren auf die wohl am weitesten verbreitetste Type die NDIR
Familie Sensoren, das sind Nondispersive infrared, Nichtdispersive
Infrarotsensoren. Nichtdispersiv heißt an der Stelle es ist kein lichtbeugendes
Element involviert, das heißt, es wird einfach komplett breitbandig, quasi weißes
Licht, könnte man sagen, eingestrahlt auf die Probe und eben nicht durch ein Prisma
oder Gitter oder sowas nach Wellenlängen sortiert. Die zweite Klasse sind
Metalloxid... Upsa, ja super, auch mal weiterschreiten sind Metalloxid basierte
Sensoren. Das Schlüsselwort MEMS ist die meisten, also M-E-M-S ist den meisten
wahrscheinlich auch schon mal unter die Augen gekommen. Mikro mechanisch... Wie
war das? Micro Mechanical Engineered Microsystems. Das heißt, sie sind mit
Silizium-Herstellungstechnologie feine Mikrostrukturen, mit denen dann ebenso
was, zuerst wurden Beschleunigungssensoren damit gebaut und die werden eben auch,
diese Methoden werden jetzt auch verwendet um z.B. solche CO2-Sensoren zu bauen. Und
das 3. ist eine Photoakustische Methode. Das ist im Prinzip, dass man diese
Schwingungen, die ich gerade gezeigt habe, durch einen kurzen Lichtblitz im
CO2-Molekül aktiviert und das zu einer leichten Erwärmung des Gases oder der Luft
führt. Und das tatsächlich hörbar ist . Es ist natürlich sehr, sehr leise, aber mit
einem guten Verstärker und einem guten Mikrofon ist das tatsächlich eine reale
Möglichkeit, um die Konzentration von CO2 zu messen. Und da gilt quasi, je lauter,
umso mehr CO2 ist in der Probe vorhanden. So, dann könnte man denken. Infrarot ja,
kennt man. Fernbedienung? Alles klar? Ja, leider nicht. Hier jetzt rechts nochmal
das Spektrum von vorhin. Diese Infrarot- Leuchtdioden, die wir von
üblichen Fernbedienungen kennen, sind leider wirklich gerade nur so am Rand des
roten Spektrums. Gerade so nicht mehr sichtbar, aber leider bei weitem noch
nicht langwellig genug, als dass die für unsere Messungen nützlich wären. So, dann
ist hier so z.B. ein Teil der kaputten Präsentation, da sollten eigentlich noch
ein paar mehr Sensoren da sein. Dieses Goldene ist quasi eine
metallisierte Probenkammer und darunter versteckt sind dann eben die Lichtquelle
und der Lichtsensor. Die meisten Sensoren sind so ähnlich aufgebaut. Und hier habe
ich tatsächlich mal von jemandem gefunden, der hat so einen Sensor
auseinandergebaut. Und da sieht man tatsächlich ganz rechts
dieser kleine weiße Kreis, das ist tatsächlich eine winzig kleine
Glühbirne und ein bisschen links daneben ist dann der Infrarot Sensor und das Licht
wird eben durch dieses, in diesem goldenen Gehäuse einmal im Zickzack
geschickt. Und das weiße Fenster, was man links oben sieht, oder in dem Bild
links oben sieht, das ist ein gasdurchlässiges Vlies, sodass die
Umgebungsluft im Austausch steht, mit der Luft in diesem Sensor innen drin und
dementsprechend mit der Zeit sich anpasst. So. Die zweite Sache ist, dass hier ist
das Card10-Badge bzw. das noch ein Foto vom Prototypen. Da möchte ich bloß zeigen,
der Sensor ist da links unten in diesem grünen Quadrat. Und. Ich fürchte - ja. Die
ganze Sektion mit den Metall Oxid Sensoren hat sich verabschiedet, das ist schade.
Gut, dann kurz frei. Im Prinzip ist so ein Metalloxid-Sensor eine dünne, also
wie der Name schon sagt, Metalloxid, ein Metall-Oxidischer Halbleiter, der in
einer dünnen Schicht auf ein Siliziumwafer aufgebracht ist. Und auf der
Oberfläche kann sich dann eben verschiedene Bestandteile der Luft
ablagern und damit reagieren, wenn man etwas hat, wie Kohlenmonoxid zum Beispiel.
Das ist tatsächlich ein leicht reduzierendes Gas, dann wird von dieser
aus dieser, aus dem Sauerstoffanteil, aus dieser Metalloxidschicht wird ein
bisschen was abgezogen, um das Kohlenmonoxid zu oxidieren. Und verändert
die Leitfähigkeit von diesem Halbleiter. Wenn man sowas hat wie Stickoxid z.B. -
kennt man aus Autoabgasen. Das wiederum könnte zum Beispiel diese
Halbleiterschicht ein wenig oxidieren und damit ebenfalls die Leitfähigkeit
verändern. Und was hier eben in diesem, in diesem grünen Quadrat links unten, das ist
dieses kleine silbrige, dieses kleine silbrige Kästchen, also ungefähr zwei Mal
drei Millimeter groß, da ist sowohl dieser Sensor drin als eben auch ein kleiner
Mikrocontroller, der die Auswertung und Ansteuerung macht und eine, ein kleines
Heizelement, was dazu notwendig ist, wenn diese Oberfläche mit Reaktionsprodukten
beschichtet ist. Also wenn sich aus der Luft Bestandteile darauf abgelagert haben,
kleben geblieben sind quasi, dann müssen die da ja wieder runter. Ansonsten hat
sich die Leitfähigkeit dieses Sensors sozusagen an die Situation angepasst. Und
man möchte ja auch kurzfristig wieder neues Ergebnis messen können. Das heißt,
dann schaltet man kurz diese Heizung an, um diese Reaktionsprodukte runterzukriegen
und lässt das Ganze wieder abkühlen und kann dann ein bisschen später wieder eine
neue Messung machen. So. Und die Foto- akustik ist komplett verloren gegangen.
Das ist sehr, sehr schade. Das ist tatsächlich noch nicht so richtig
marktreifes relativ oder zumindestens relativ kurz vor Markteinführung
befindliches Mess-Prinzip. Diese Sensoren sind ungefähr so groß wie ein
Zuckerwürfel. Das sind auch kleine integrierte, kleine integrierte Platinen.
Kann man sich so ein bisschen so ähnlich denken wie so ein ESP-Modul. Also so eine
kleine Metallkappe, die eben den Sensor und die Elektronik verbirgt und montiert
auf einer kleinen Platine. Und davon hab ich tatsächlich an zwei Firmen mal
gefragt, ob, wie deren Stand ist. Die sind wohl schon im Prototyping-Stadium, aber
die Sensoren sind noch nicht auf dem Markt. Ja, wie gesagt, vom Prinzip her
ist das eben auch, dass man eine Infrarotlicht-Quelle oder eben einen, man
ist, man kann im Prinzip im Labor auch so einen Foto-Blitz benutzen. Und schießt dann
ein Lichtblitz eben auf ein Gasvolumen, das man testen will. Und hat
tatsächlich wirklich einfach ein sehr empfindliches Mikrofon und Messverstärker,
der dann eben das daraus resultierende Signal auffängt. So, das heißt, damit ist
das Ganze schon etwas kurzfristig und etwas holprig geworden. Was ich
tatsächlich auch in Planung hatte, aber auch nicht kurzfristig umsetzen
konnte, wäre tatsächlich diese verschiedenen Sensoren in einer
gemeinsamen Proben-Kammer aufzubauen. Und z.B. aus einer CO2-Patrone
einfach mal ein bisschen CO2 draufströmen lassen und vergleichen, welcher Sensor
misst was. Mal mit dem Feuerzeug ein bisschen Verbrennungsgase produzieren. Mal
gucken, welcher Sensor misst was. Aber es stellt sich raus. Ja, in einer globalen
Pandemie, wo sowieso Lieferschwierigkeiten in allen Richtungen sind und alle Welt
daran interessiert ist, CO2-Ampeln zu bauen, ist es nicht so einfach kurzfristig
CO2 Sensoren zu kriegen und erst recht nicht viele verschiedene. Von daher wird
das wahrscheinlich dann ein nochmal weiteres Projekt und vielleicht auch noch
einen weiteren Talk geben. Und dann würde ich sagen gehen wir noch zu Fragen und
Antworten über. Ich denke, wir sollten. Ja, auch noch gut die 10 Minuten haben
jetzt in diesem Slot.
Herald: Ja, haben wir. Erstmal, trotz der technischen Schwierigkeiten. Danke
Sebastian, für's großartige Vortrag. Wir haben ja Fragen von dem Internetz. Ich
fange mal an mit einer der einfachste. Wird es die Folien zum Download geben?
Sebastian: *kein Ton* ...habe Ja. Ich hab tatsächlich einiges an Bildmaterial
zusammengetragen und Links und auch relevante Datenblätter und sowas. Und das
ist jetzt doch ziemlich ärgerlich, dass das alles flöten gegangen ist, jedenfalls
zumindestens in der Zusammenstellung. Aber ich schätze mal, im Januar wird auch nicht
viel zu tun sein. Herald: Kannst du uns vielleicht ein
bisschen erklären über die Sensoren kalibrieren z.B. Wie oft müssen die
kalibriert werden und wie kalibriert man die Sensoren?
Sebastian: Das ist eine sehr gute Frage. Diese NDIR Sensoren, also diese Infrarot
Licht-Absorptions-Sensoren sind im Prinzip ein absolutes Messverfahren. Das heißt man
kennt sämtliche physikalischen und chemischen Größen der beteiligten Gase.
Und dann kommts eigentlich nur noch auf die Geometrie der Messkammer an und
blöderweise halt auch auf Alterung von der Lichtquelle und von dem Sensor. Also man
weiß ja, Halbleiter degradieren mit der Zeit und auch eine Glühbirne geht
irgendwann kaputt. Das heißt, wenn man das, dann muß man hauptsächlich diese
Teile weg kalibrieren. Aber die Physik dahinter sozusagen ändert sich nicht. Bei
diesen Metalloxid-Sensoren ist die Sache, das ist quasi ständig im Wandel und
dahinter hängt also bei dem auf dem was ich gezeigt habe auf dem Card10-Badge z.B.
da dieser Mikrocontroller der hat auch noch einen Kalibrierungsalgorithmus mit
eingebaut und der funktioniert tatsächlich so, dass es in dem
Datenblatt heißt, man soll dieses, diesen Sensor erst mal 24 Stunden laufen
lassen und der nimmt automatisch an, dass er eben an Frischluft mit ungefähr 400 ppm
CO2 ausgesetzt ist und pendelt sich darauf ein und macht im Hintergrund so ein
bisschen automagisch diese Kalibrierung. Aber natürlich eben auch nicht mich rein
auf das CO2, weil wie angesprochen bzw. das hab ich tatsächlich so explizit gar
nicht gesagt. Diese Metalloxid-Sensoren sind für CO2 quasi blind. Die können eben
Kohlenmonoxid messen. Oder die können organische Substanzen, die man eben wenn,
was man als Mensch ausatmet, können die messen. Und sie nehmen sozusagen da
nochmal ein anderes, einen anderen Umweg um eben die, um CO2 zu messen und darauf
dann eben dann nochmal diese Zusatzannahme mit der Virus-
Ausscheidung zu machen. Also da sind halt auch ne Menge. Eine Menge pi mal Daumen
Annahmen im Hintergrund. Von daher muss man da schon auch immer gucken, was misst
man da eigentlich und welche Messgenauigkeiten sind eigentlich
angegeben? Aber ja, Kalibrierung macht es nicht einfacher.
Herald: Danke. Haltest du es für eine wertvolle Strategie CO2-Sensoren bis 2021
in möglichst viel Hände zu bekommen, d. h. Arztpraxen, Klassenzimmer, Geschäfte usw.,
um die Übertragung von SARS Covid19 in der Luft zu verringern?
Sebastian: Naja, die Sensoren können die Konzentration nicht verringern.
Und ich fürchte, dass es eher eine politische und gesellschaftliche Frage als
tatsächlich eine technologische. Ich hab mir darüber jetzt im Verlauf des Herbst
auch viel Gedanken gemacht und auch hier im Chaos-Umfeld mit einigen Leuten drüber
philosophiert, was man machen kann. Aber am Schluss kommt es tatsächlich darauf an,
ob es angewendet wird und Kostenfrage und gewartet werden wird. Ich habe teilweise
sogar gehört, dass ambitionierte Lehrer solche CO2 Ampeln in ihrer Schule
aufgehängt haben und der Rektor war nicht so begeistert davon und wollte, dass das
besser nicht passiert. Und dann muss eben die Infrastruktur dahinter muss auch
noch instand gehalten werden und Defekte ausgebessert werden und die Daten müssen
ausgewertet werden und sowas. Und das ist eine Menge Arbeit und ich weiß nicht, ob
das tatsächlich gesellschaftlich gewünscht genug ist. Also ich bin nicht sicher,
aber ich fürchte, es wird keinen großen Ausschlag machen, jedenfalls nicht für die
breite Gesellschaft. Herald: Welche von den verschiedenen
Sensoren lassen sich am einfachsten an z.B. an einen Arduino anschließen?
Sebastian: Das ist tatsächlich bei allen ziemlich einfach. Also das Internet ist
voll mit Howtos, wie man diese, wie man diese Sensoren ansteuert. Die meisten
haben entweder eine typische serielle Schnittstelle oder einen I2C-Bus und
lassen sich eben über diese eigentlich sehr gängigen digitalen Schnittstellen
auslesen. Es gibt auch wenn man tatsächlich so einen Sensorsystem
selber bauen will, kann man tatsächlich auch mit den noch so weit
runter gehen, dass man sich die analogen Sensoren, also quasi wirklich den nackten
Fotosensor oder den nackten Metalloxid- Sensor nimmt und die Analogwerte
ausmisst. Aber ich glaube nicht, dass sich dieser Aufwand wirklich lohnt. Also von
daher, wenn man tatsächlich so ein System bauen will. Das umzusetzen ist
relativ einfach, wenn man sich ein bisschen mit Arduino auskennt.
Herald: Danke! Wir haben noch einiges Zeit. Wenn euch Fragen und Antworten
wollen, könnt ihr uns Fragen stellen. Entweder über IRC. Das ist unten verlinkt
oder über Twitter und die Fediverse unter der Verwendung des Hashtag rc3one also
Richard Ceasar 3 Otto Nordpol Email. Wie hoch kann der CO2-Gehalt in Innenräumen
sein und bis wann ist es gefährlich oder ab wann ist es gefährlich?
Sebastian: Da könnte ich mal nochmal zu dieser Folie zurückspringen. Moment. Wo
ist der Mensch? Genau der. Also hier sind so die Angaben, die ich gefunden
habe, sind so wenige Prozent, also 1% sind 1000 ppm. Ppm heißt ja einfach nur parts
per million, d.h. 1 000 parts per million. Kürzt sich dann weg auf 1%. Quatsch!
10.000 ppm, Unsinn. Also 1.000 ppm sind ein Promille und Prozent sind nochmal eine
Zehnerpotenz mehr so. Und also d. h. ein Prozent, dieses grüne Quadrat sind dann
eben 10 000 ppm. Das ist dann schon, weiß ich nicht, das 25 fache der normalen
Konzentration. Und da wird es dann langsam gefährlich. Aber ich glaube so
Konzentrationsstörungen und so und so ein bisschen, dass man nicht mehr
so komplett so schnell und konzentriert arbeiten kann, fängt schon bei 1.000 ppm
an. Und was ich so gehört habe in den letzten Monaten erreicht man das in so
einer typischen Schulklasse, wohl innerhalb von ner Viertelstunde oder
sowas. Und sicherlich auch in so dem typischen Meeting oder Besprechungsraum
irgendwie mit ein paar Leuten je nach Luftvolumen. Das geht erstaunlich schnell.
Ich hab's tatsächlich selber noch nicht nachgemessen, das sind jetzt bloß Aussagen
aus dritter Hand. Aber das geht wohl relativ schnell. Das ist tatsächlich
gefährlich wird, weiß ich nicht, das ist eher eine Frage für nen Mediziner und
hängt sicherlich noch so ein bisschen vom individuellen Menschen an, aber ich
glaube so im normalen Alltag wird das nicht passieren, dass man ausversehen
sozusagen in eine gefährliche Konzentationsbereich kommt.
Herald: Welches ist brauchbare Sensor für CO2 Messungen?
Sebastian: Ja, das wäre tatsächlich die Frage, die ich eben mit diesem
angesprochenen Vergleichsexperiment klären würde. Ich bin tatsächlich nicht so
überzeugt, ob alle von diesen Sensoren auch halten, was sie versprechen. Aber da
ich bisher tatsächlich es nicht geschafft habe, welche halt auch in die Finger zu
kriegen, kann ich das auch nicht nachprüfen. Ich würde sagen, da sowieso
die Annahme ist, dass also das war ja ganz am Anfang diese Grundannahme, dass wenn
ein Mensch infektiös ist und SarsCoV2 Viren ausscheidet, dass das irgendwie in
Relation steht mit der Menge an CO2 oder flüchtigen organischen Verbindungen,
die der Mensch ausatmet, dass wäre schon mal die erste Annahme.
Weil es darauf kommen natürlich auch viele, viele Menschen, die nicht infektiös
sind, aber trotzdem CO2 und organische Verbindungen ausatmen, d. h. das ist schon
mal, wenn man auf dieser Infektionsvorraussage möchte, ist das
schon mal eine Sache, die man annehmen muss und die nicht unbedingt zutreffen
muss. Und wie gesagt, auch sind die Genauigkeiten in den Datenblättern der
verschiedenen Sensoren sind teilweise angegeben mit irgendwie in der
Größenordnung fast von 100 ppm oder sowas. Also es sind manchmal schon eher grobe
Richtlinien als tatsächlich präzise Messwerte. Von daher das mit der CO2 Ampel
triffts eigentlich ganz gut. Es ist sozusagen so ein grobes Signal. So ist es
rot gelb grün. Aber man kann jetzt nicht z.B. die Farbe eines Regenbogens auflösen
oder sowas. Dafür sind die nicht genau genug. Und ich vermute mal für so Sensoren
für 10, 20 Euro kann man das auch nicht erwarten. Von daher weiß ich was soll ich
sagen am Schluß. Der beste Sensor ist wahrscheinlich den, den man bekommen kann.
Herald: Also wo sollen dann CO2 Sensoren am besten in Räumen befestigt werden?
Sebastian: Das ist auch eine gute Frage, weil auch da ist ja die Annahme, man
misst... Oder das die CO2-Konzentration im gesamten Raum
gleichmäßig ist. CO2 ist schwerer als der Rest der Raumluft, das heißt, es sammelt
sich tendenziell eher Richtung Boden. Also es wird ein Konzentrationsgefälle von
geringstem an unter der Decke bis am höchsten am Boden sein. Andererseits ist
die Atemluft, die man ausatmet warm, dies auch leichter als der Rest der Luft und
steigt nach oben wie bei einem Heißluftballon. Das Gegenteil mit der mit
dem CO2 am Boden ist, vielleicht hat mal jemand was von der Hundsgrotte gehört,
dass es eine einer Höhle, wo sich tatsächlich aus dem Gestein CO2 rauskommt
und sich ein Teppich an CO2 auf dem Boden ausbreitet, was schon dem einen oder
anderen Hund zum Verhängnis gefallen sein soll. Das heißt, diese beiden
Effekte, dass das CO2 von sich aus auf den Boden sinkt und die warme Luft aber nach
oben steigt, arbeiten gegeneinander. Dann hat man Raumluftverwirbelungen, dann hat
man vielleicht noch, dann heißt es ja, Fenster öffnen und lüften. Das sorgt auch
für Verwirbelungen. Unterm Strich muss ich sagen: Ich weiß es nicht. Es wäre sehr
spannend, auch wieder. Dafür müsste man erst wieder so viele Sensoren kriegen.
Aber wenn man tatsächlich so ein müsste man mal tatsächlich im Klassenzimmer sowas
mit wahrscheinlich etlichen Dutzend solcher Sensoren strategisch über
den Raum verteilt vermessen und dann diese Messwerte über die Zeit darstellen, dann
hat man so ein hübsches Voxel-Diagramm oder sowas. Das wäre sehr spannend, um
diese Frage zu beantworten. Unterm Strich, muss ich auch da sagen, kann ich nicht
sicher sagen. Herald: Und falls es einen Raum gibt, in
dem kein mechanische Lüftung oder eine Klimaanlage mit frischer Außenluft
möglichs ist oder gibt. Wie kann er am effektivsten belüftet werden?
Sebastian: Tja. Durch die Tür? Also naja, die Lüftung ohne Zugang zu Außenluft ist
Sch... Es ist halt schwierig. Herald: Gibt's z.B. U-Boot Anlagen oder
sowas ähnliches? Sebastian: Mit U-Booten kenne ich mich
tatsächlich überhaupt nicht aus. Also ich kann mir nur vorstellen, dass man
irgendwie so ne faltbaren Lüftungsschläuche oder sowas.
Ich kenne das mit so einer Drahtspirale, die mit mit Aluminium oder
Aluminium-Folie oder Kunststoff-Folie ummantelt ist, die man dann so ausziehen
kann. Oder sowas wie die Seidenstraße- Rohre oder sowas. Dass man die eben in den
Raum reinlegt und dann irgendwo ans andere Ende nimmt, quasi wirklich ein Staubsauger
anschließt und dann einfach die Luft durch dieses Rohr aus dem schlecht zu
erreichenden Raum absaugt, raus pustet oder rein pustet. Also da ist dann halt
auch glaub ich wieder kreativer Hacker- Herangehensweise gefragt, weil ja es
baulich nicht vorgesehen ist, schwierig. Aber durchaus sicherlich auch dann einen
Anwendungsfall da, wo es Sinn machen würde sich so eine CO2 Ampel hin zu
hängen, damit man dann weiß okay, jetzt ist die Luft wirklich so schlecht, dass
man was machen muss. Herald: Gibt's einen Effekt von Pflanzen
im Innenraum? Sebastian: Bestimmt. Ich habe mal
irgendwie Projekte gesehen in der Richtung, die das testen wollten, aber ich
weiß nicht, ob das tatsächlich zahlenmäßig ausgewertet wurde oder auszuwerten ist.
Also im Sinne von, dass die Pflanzen tatsächlich das CO2 in dem Raum sofort
binden und wieder zu Sauerstoff umwandeln. Naja, also es gibt auf jeden Fall
Pflanzen, die machen das schneller und effektiver, je nach Lichteinstrahlung, das
ist halt auch nochmal eine Komponente. Und dann müsste man sich wahrscheinlich so
richtig ordentlichen Dschungel in einen Raum packen. Ja, also auch gute Frage. Ich
würde sagen, find's raus. Das ist leider ziemlich häufig die Frage, oder die Antwort
wenn man nichts genaues sagen kann. Irgendjemand muss den ersten Schritt
machen. Herald: Vielleicht eine feste Frage.
Kannst du uns ein bisschen mehr erklären? Wie stellt man sicher, dass die
Card10-Badge sich richtig kalibriert ist? Sebastian: Dazu kann ich noch nicht
wirklich was sagen. Ich hab halt ein bisschen mitbekommen, dass jetzt in den
letzten Monaten tatsächlich so langsam die Firmware auf einem Stand ist, dass dieser
BME 680, dieser Umweltsensor vollständig ausgelesen werden kann. Da lohnt sichs auf
die Seite vom Card10-Badge card10.events.ccc.de mal zu gehen und
gegebenenfalls auch mal mit dem Team in Kontakt zu treten oder wenn man Lust hat
auch gerne mitzuentwickeln. Das sind halt als auch Programmieraufgaben die noch
umgesetzt werden müssen. Da gibt's irgendwo ein riesig dickes Datenblatt
wo drinne steht, wie man dem Chip sagen muss was er tun soll. Und dann macht er
das. Und ich glaube, der Stand der Firmware ist, dass man sozusagen schon die
ersten Messwerte auslesen kann. Und da würde ich empfehlen, sich an Schneider zu
wenden. Der einer, der der Team Leads ist, der die Card10 Badge tatsächlich umgesetzt
hat. Der ist unter anderem gerade jetzt in den letzten Wochen noch damit beschäftigt
gewesen, genau sich damit zu beschäftigen. Herald: Da das jetzt verschiedene Typen
von Sensoren und die reagieren ja auch auf verschiedene andere Gase mit anderen
Kurven, gibt es ein bestehendes Konzept für Sensor Fusion, um das Genauigkeit zu
steigern durch mehr verschiedene Sensoren? Sebastian: Ich bin nicht sicher, ob ich
die Frage verstanden habe. Herald: So, weil die verschiedene Sensoren
haben andere Kurven für den verschiedenen Gase, gibt es schon eine Konzept, mehrere
verschiedene Sensoren gleichzeitig zu nutzen um die Genauigkeit der Messung
hoch zu steigern? Sebastian: Das man quasi so einen
Metalloxid mit so einem NDIR Sensor verpaart und dann die beieinander
vergleicht das. Herald: Ja, ja.
Sebastian: Durchaus möglich. Ich hab bei der Recherche bei einem Hersteller
gesehen, dass die genau das gemacht haben, dass sie ihren Metalloxid-Sensor eben
gegengeprüft haben, gegen einen auch hochwertigen NDIR Sensor und
festgestellt haben, dass ihr Messwert... Das wird meistens angegeben als eCO2,
also equivalent CO2 oder estimated CO2 eins von beiden. Dass sich dieser Wert
schon ziemlich gut mit dem von dem echten CO2 Sensor gemessenen Wert, das die beiden
sehr gut übereinstimmen. Die Voraussetzung ist natürlich immer oder die Annahme ist
immer, dass tatsächlich auch Menschen für den CO2-Anstieg verantwortlich sind im
Raum, weil die dann eben auch diese flüchtigen organischen Verbindungen
ausatmen. Das wäre z.B. eine Sache, die ich gerne im Experiment selber ausprobiert
hätte von wegen was passiert, wenn man eben diese beiden Sensor Typen nur CO2
aussetzt. Dann müsste eigentlich eben dieser Metalloxid-Sensor quasi keine
Veränderungen zeigen und nur der echte CO2 Sensor sollte eine Veränderung anzeigen.
Während man z.B. wenn man jetzt nen Zug Atemluft einfach in so eine Messkammer
reinpustet, dann müssten eben beide gleichmäßig den Ausschlag zeigen.
Inwieweit man dafür so einen Sensor-Fusion- Konzept hat, ausarbeiten kann? Es gibt
sicherlich Ansätze, aber dass es da irgendwie was offizielles oder sowas gäbe,
davon weiß ich jetzt auch nichts. Herald: Ok. Ihr könnt uns Fragen stellen.
Wir haben ein paar Minuten mehr. Entweder über IRC, das unten verlinkt ist, oder
über Twitter, Fediverse unter Verwendung des Hashtags rc3one. Also Richard Ceasar 3
Otto Nordpol Email. Ja, ist es, möglichst großflächige CO2 durch Satelliten zu
messen? Sebastian: Jaja, das wird, das wird
gemacht. Also es gibt. Ich hab nicht nachgezählt, aber ich glaube schon zwei
Dutzend mindestens Satelliten, die genau das tun und halt auch unterschiedlichen
Alters und mit unterschiedlichen Messgeräten an Bord. Aber das wird
gemacht, natürlich. Also es gibt. Es gibt ja auch so richtig so Karten, die so
Falschfarben die CO2-Konzentration je nach Ort auf der Erde anzeigen und sowas.
Das wird genau so gemacht. Herald: Da das CO2 eine sehr wichtige Gas
ist in Richtung Klimawandel. Weißt du zufällig welche Prozesse verursacht die
meisten CO2? Im Sinne von Abgas? Sebastian: Nein, kann ich
leider nicht sagen. Es ist auch ein riesen Bereich. Ich war selber irgendwann mal
ziemlich überrascht, dass da tatsächlich die Fleischindustrie zum Beispiel einen
signifikanten Anteil hat und auch deutlich mehr als ich selber erwartet hätte. Ich
weiß die Zahl tatsächlich nicht mehr auswendig. Aber das ist so. So vegane oder
vegetarische Ernährungsweise wäre tatsächlich wie's aussieht einen doch
nicht zu vernachlässigender Teil, um so die Gesamt-CO2-Entwicklung zu reduzieren.
Davon abgesehen haben wir natürlich auch noch andere Klimagase, wie zum Beispiel
Methan, was eben auch Kühe noch in nennenswerter Weise ausscheiden und auch
Klimagas ist. Methan kann man tatsächlich mit ähnlichen Methoden wie eben diese
optischen CO2-Sensoren messen. Bloß eben mit anderen Lichtwellenlängen. Deshalb das
hab ich jetzt hier natürlich nicht im Detail angesprochen, aber im Prinzip geht
das auch und wird auch gemacht. Von daher ist halt auch nochmal die Frage geht es um
Klimaerwärmung insgesamt? Da muss man natürlich sämtliche Klimarel...oder
sämtliche klimarelevanten Gase in Betracht ziehen und die sind auch nicht
alle gleichmäßig schlimm sozusagen. Das Stichwort dazu sind ich glaube
CO2-Äquivalente werden die auch tatsächlich genannt. Sozusagen wie viel
Tonnen von Gas x haben eine Auswirkung wie y Tonnen CO2 in der Atmosphäre. Und das
ist eben für die Gase unterschiedlich. Herald: Was ist eigentlich dein
Hintergrund? Wie bist du an CO2-Messungen gekommen?
Sebastian: Tatsächlich war ich neugierig im Spätsommer, als eben diese CO2-Ampel-
Geschichte in den Medien Traktion gewonnen hat. Und hab' dann angefangen zu gucken,
was machen die eigentlich? Wie funktionieren die Dinger eigentlich? Kann
das funktionieren? Das ist ja eigentlich irgendwie alles sehr komisch. Und mein
Hintergrund ist ich bin Diplom-Chemiker, hab' dementsprechend eben auch so
analytische Chemie und den ganzen Kram dahinter dann gelernt und was sozusagen
auch die Hintergründe hinter diesen Anregungen und Schwingungs-Spektroskopie
hatte ich vorhin kurz eingeworfen, das Wort, das gehört halt alles ins Studium
mit rein. Aber es ist natürlich alles viel zu viel zu tief für so'n Oberflächen-
Vortrag. Aber das hat eben meine Neugierde geweckt. Und um da nach zu bohren. Okay,
was haben sich da tatsächlich die Hersteller einfallen lassen, um eben diese
Mess-Aufgaben zu lösen? Und die Sache ist ja auch: Das muss man natürlich auch
möglichst preisgünstig machen bei so vielen CO2-Ampeln. Ich glaube, da kosten
so die Sensoren, die also benutzt werden, so höchstens, weiß nicht, niedrig
zweistellig oder sowas? Mittel zweistellig? Und industrielle Sensoren, die
halt auch genauer sind, die sind dann doch eher im dreistelligen Bereich und die wird
wahrscheinlich ein Maker nicht mal ebenso kaufen. Von daher ist das eben dann mit
einer CO2-Ampel, die keiner bauen oder kaufen will, weil sie zu teuer ist, hat
dann am Schluss natürlich auch keinen Wert mehr. Ja, ich vermute da sind auch noch
ein paar Innovationen in Zukunft drin. Herald: Ja, in die Zukunft erlaubt die
Keeling-Kurve werden wir alle mit einer Höhe CO2 -Werte in der Atmosphäre, also
Umluft mitleben. Kannst du schon was dazu sagen? Wie wäre es zum Beispiel, wenn es
500 ppm in der Umluft ist? Sebastian: Ne, kann ich in dem Rahmen
nicht. Das ist also so Atmosphären-Umwelt- Wissenschaften, das ist nochmal so ein
ganzer Fachbereich für sich und wie tatsächlich dann diese Auswirkungen sind,
mit diesen Kipppunkten und was dann alles passieren wird. Ich glaube das ist auch
sehr sehr schwer vorauszusagen. Ich hab' gesehen, im Fahrplan für das
rc3-Konferenz-Programm gibt's auch ein paar Vorträge, die sich in die Richtung
beschäftigen. Da sind dann eher Leute aus der Richtung gefragt.
Herald: Okay. Und letztendlich möchtest du, dass unser Publikum etwas tut?
Sebastian: Ja, seid neugierig, hinterfragt Dinge, baut Dinge. Nervt eure Politiker.
Also das ist tatsächlich eine Sache. So persönliche Anekdote: Ich hab Politik
lange, lange Zeit vermieden, weil ich dachte, es ist irgendwie alles so
Wischiwaschi und alles so schwierig und unverbindlich und so … Wissenschaft und
Technologie, das, da hat man dann Methode, da hat man Mess-Ablauf, da hat man dann
seine Daten und dann kriegt man eindeutige Antworten und eine Lektion jetzt dieses
Jahres 2020 ist ja auch: Die Wissenschaft und auch Ingenieure und Daten-
Wissenschaftler haben alle möglichen Forschung angestellt, nach Antworten
gesucht, Antworten gefunden. Haben die der Politik weitergegeben. Und da hakt es. Das
heißt, diese politische Komponente ist leider einfach nicht zu umgehen. Und von
daher würde ich sagen: Wenn ihr euch dafür tatsächlich engagieren wollt und da
irgendwie aktiv werden wollt, guckt euch an, wie man in die Richtung auch
weitermachen kann. Herald: Alles klar.
Sebastian: Wie es in die eigenen Überzeugungen, auch in die eigenen
Kapazitäten passt. Aber ich würde sagen ja, also ein Teil der Motivation, warum
ich hier mich auch hingestellt habe, ist eben Wissen teilen, Impulse geben, andere
Leute inspirieren, nach Möglichkeit, und so eine Kaskade los stoßen. Also
einfach nicht nichts tun. Herald: Verstanden. Top! Ganz herzlichen
Dank, nochmals, Sebastian.
*Abspannmusik*
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