Hochwirksam desinfizieren

Einzelne UV-C-Leuchtdioden haben noch nicht viel Leistung – doch man kann viele LEDs zusammenpacken. So kam an der Berliner Universitätsklinik Charité ein Modul mit 120 solchen Leuchtkörpern zum Einsatz, das die Forscher gemeinsam mit Wissenschaftlern am Ferdinand-Braun-Institut entwickelt haben, einer ebenfalls in Berlin ansässigen Forschungseinrichtung, die auf die Entwicklung neuartiger photonischer Techniken spezialisiert ist. Die Resultate der Versuche waren vielversprechend.

Bei der New Yorker U-Bahn gab es sogar bereits Tests, ganze Waggons mit UV-C-Strahlung zu desinfizieren. Und Forscher des Fraunhofer-Instituts für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB haben gemeinsam mit der Firma Binz Ambulance- und Umwelttechnik in Ilmenau ein UV-C-System entwickelt, das sich in die Innenraumbeleuchtung von Krankenwagen integrieren lässt. Nach nur zehn Minuten Bestrahlung waren sowohl die Oberflächen als auch die Luft im Krankenwagen praktisch keimfrei. Üblicherweise muss nach einem Rettungseinsatz aufwendig mit chemischen Mitteln gereinigt werden, was deutlich mehr Zeit in Anspruch nimmt. Für diese Art von Desinfektion kommen vor allem LEDs mit einer Wellenlänge von 260 bis 280 Nanometern infrage.

Sogar an Patienten selbst lässt sich keimtötende UV-Strahlung anwenden: Wenn man besonders kurze Wellenlängen wählt, kann man die Haut von gefährlichen Keimen befreien. Allerdings: Die eben geschilderten Technologien eignen sich nicht dafür, da diese UV-Strahlen zu tief in die Haut eindringen und dort zu Zellschäden führen können, die das Krebsrisiko erhöhen. „Doch sehr kurzwelliges UV-C-Licht mit rund 230 Nanometer Wellenlänge wird von den toten Zellen der obersten Hautschichten praktisch vollständig absorbiert, ohne in lebendiges Gewebe vorzudringen“, erklärt der Berliner TU-Wissenschaftler Kneissl. „Damit können wir multiresistente Keime ohne Gefahr für den Patienten töten – und ohne das Risiko, dass sich weitere Resistenzen ausbilden.“ Denn gegen UV-Licht können sich Bakterien, Viren und auch Pilzsporen nicht wappnen. Dazu laufen bereits aussichtsreiche Untersuchungen an der Charité. Und es gibt Ideen, diese Strahlung über Glasfaserkabel in Endoskopen in den Körper einzubringen, um dort zum Beispiel befallene Schleimhäute von Keimen zu befreien.

Rasante Technologiesprünge

Die LED-Technik hat sich in den letzten Jahren sehr schnell entwickelt. Der Startschuss dafür war ein Durchbruch bei blau leuchtenden Dioden, der in den 1990er-Jahren japanischen Forschern gelungen ist. Dafür erhielten Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura 2014 den Nobelpreis für Physik. Zuvor hatte es nur rote und grüne Leuchtdioden gegeben, mit denen sich aber kein weißes Licht erzeugen ließ. Dazu sind eben auch die kürzeren Wellenlängen von blauem Licht erforderlich, um durch Mischen mehrerer Farben zu weißem Licht zu gelangen.

Allerdings: „Es hat sich als große Herausforderung erwiesen, von blauem Licht hin zu den kürzeren Wellenlängen von UV-Licht zu kommen“, berichtet Michael Kneissl. Der Grund dafür liegt darin, dass LEDs aus Halbleiterkristallen bestehen. Diese Kristalle müssen eine nahezu perfekte atomare Struktur besitzen, um effizient zu funktionieren. Und bei den kurzen Wellenlängen von UV-Licht treten gleich mehrere Schwierigkeiten auf. So muss man die passenden Materialien finden, um Abstrahlung im UV-Bereich zu ermöglichen. Heute verwendet man als Trägermaterial extrem glattpolierte, dünne Saphir-Kristalle, auf die dann unter sehr kontrollierten Bedingungen Gallium- und Aluminiumnitrid abgeschieden werden. Das genaue Mischungsverhältnis bestimmt die Wellenlänge des von der Leuchtdiode abgestrahlten UV-Lichts.

Bei sehr kurzwelligem UV-C-Licht kommt noch die große Schwierigkeit dazu, dass das Licht, das im Halbleiter erzeugt wird, auch effizient aus den LED-Kristallen herausgeleitet werden muss. Die kurzwellige Strahlung wird leicht reflektiert oder absorbiert, sodass die internen Verluste hoch sind. Es ist eine schwierige Aufgabe für die Entwickler, die verschiedenen Parameter – zum Beispiel den geometrischen Aufbau der LED, die Produktionsverfahren und die verwendeten Werkstoffe – so aufeinander abzustimmen, dass eine leistungsfähige und stabile Leuchtquelle mit hoher Lebensdauer herauskommt. „Zudem ist es schwierig, geeignete Vergussmaterialien für die Verkapselung von UV-LEDs zu finden“, sagt Kneissl. „Denn das kurzwellige Licht lässt Polymere schnell altern, sodass sie spröde und intransparent werden.“

Im Vergleich zu Leuchtdioden, die sichtbares Licht abgeben und auf bis zu 80 Prozent Lichtausbeute kommen, sind UV-LEDs deshalb wesentlich weniger effizient. Bei UV-A-LEDs kommt man noch auf einen guten Wert von rund 50 Prozent, aber UV-C-LEDs erreichen nur 10 Prozent oder weniger. Doch auch das ist schon ein großer Fortschritt. Die Leistungsfähigkeit von UV-C-LEDs ist in den letzten Jahren enorm gestiegen. Hatten sie noch vor sechs Jahren nur eine optische Leistung von wenigen Milliwatt pro Chip, so schaffen sie mittlerweile 100 Milliwatt oder mehr.

Im selben Zeitraum ist der Preis pro Milliwatt optischer Leistung von rund 20 Euro auf etwa ein Hundertstel gefallen. Damit sind kommerzielle Anwendungen möglich geworden, und es gibt bereits mehrere Hersteller am Markt. Auch das Münchner Unternehmen Osram betreibt eine Produktlinie zu UV-LEDs.

Experten rechnen mit einem rasch wachsenden Markt für ultraviolette Leuchtdioden in den kommenden Jahren. Befeuert durch die Corona-Pandemie dürfte die Produktentwicklung ebenso rasant weitergehen, wie die Verkaufszahlen steigen. Schon in wenigen Jahren könnte so ein Markt entstehen, dessen Umsätze in die Milliarden gehen.

Sauberes Wasser dank UV-Licht

Die stark keimtötende Wirkung von UV-Strahlung macht es auch möglich, Trinkwasser zu desinfizieren oder Abwasser gezielt gegen bestimmte Verunreinigungen zu behandeln. So sind in Abwässern von Krankenhäusern nicht nur potenziell gefährliche multiresistente Keime enthalten, sondern auch Rückstände von speziellen Medikamenten, zum Beispiel Röntgenkontrastmitteln. Auch in der chemischen und pharmazeutischen Industrie werden biologisch schädliche Substanzen freigesetzt, etwa hormonähnliche endokrine Disruptoren, die sich in herkömmlichen Kläranlagen nur schwer abbauen lassen.

Im Prinzip kann man bei der Wasseraufbereitung zwar UV-C-LEDs einsetzen, doch der bislang geringe Wirkungsgrad treibt die Kosten stark nach oben. Beispielsweise setzt die Stadt New York deshalb bei der Desinfektion von Trinkwasser auf Quecksilberdampflampen: 1,6 Milliarden Dollar hat sich die Stadt eine solche Anlage kosten lassen, durch die andererseits Geld für Filter und die Desinfektion mit Chlor eingespart wird.

Doch auch dort bieten ultraviolette LEDs neue Möglichkeiten. „Wir können die Kraft von UV-Strahlen verstärken, indem wir einen sogenannten Photokatalysator einsetzen“, sagt Tobias Schnabel von der Fachhochschule Erfurt. Er forscht an neuen Lösungen, die mit den billigeren und effizienteren UV-A-LEDs auskommen. „Wir setzen Nanopartikel aus Titanoxid als Katalysator ein, wie sie beispielsweise auch in Sonnenschutzcremes zum Einsatz kommen.“

Wenn diese Nanopartikel mit UV-A-Licht bestrahlt werden, wirken sie als extrem starkes Oxidationsmittel, das viele chemische Bindungen aufbrechen kann. Das tötet nicht nur Keime, sondern zerstört auch gefährliche organische Chemikalien. Mit dieser Technik lassen sich Anlagen zur Trinkwassererzeugung ebenso betreiben wie solche zur Abwasseraufbereitung. „Wenn man die Nanopartikel auf Luftfilter aufbringt, kann man damit auch eine Luftreinigungsanlage bauen, die Corona-Viren aus der Raumluft entfernt.“

Mit seinem Team hat Schnabel eine solche Anlage entworfen. Dabei ist entscheidend, wo sie positioniert ist: Wenn sie ungünstig in einer Ecke steht, kann es passieren, dass sie nur die bereits von ihr selbst gereinigte Luft wieder ansaugt. Eine solche Anlage sollte deshalb von fachkundigem Personal installiert werden.

Granulat im Hafenbecken

Der Forscher hat auch eine Idee, wie die photokatalytischen Nanopartikel ganz ohne UV-LEDs eingesetzt werden könnten. „Die Sonne strahlt schließlich ständig UV-Licht ab“, sagt Schnabel. „Wenn wir die biologisch unschädlichen Partikel als Granulat in belastete Gewässer geben, etwa in Regenwasserbecken neben Autobahnen oder in mit Diesel verschmutztes Hafenwasser, dann sollten sie schädliche Substanzen ganz von selbst abbauen.“

Das Granulat ließe sich auch in einer Kläranlage einsetzen. Das Sonnenlicht könnte man nutzen, um Stromkosten zu sparen, und es wäre möglich, je nach Bewölkung UV-LEDs zuzuschalten. Diese junge Technologie bietet sicher noch etliche andere Möglichkeiten.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…