UV-C-LEDs zur Desinfektion
Bedenken im Zusammenhang mit dem neuartigen Coronavirus im Jahr 2019/20 scheinen ein erhebliches Interesse an der Verwendung von Ultra-Violett (UV) emittierenden LEDs für antimikrobielle/keimtötende Anwendungen ausgelöst zu haben. Während Licht im UV-Spektrum (insbesondere im UV-C-Band) für diesen Zweck nachweislich nützlich ist, sind LEDs als Quelle für solche außerhalb eines recht engen Anwendungsbereichs derzeit nur sehr begrenzt einsetzbar.
Dafür gibt es zwei Gründe.
Erstens sind die zum Zeitpunkt der Abfassung dieses Artikels verfügbaren UV-C-LEDs bei der Umwandlung von Elektrizität in UV-Licht in etwa so effektiv wie herkömmliche Glühlampen bei der Umwandlung in sichtbares Licht. Beide wandeln nur etwa 1-2% der ihnen zugeführten elektrischen Energie in Licht der gewünschten Form um.
Zweitens ist die Gesamtmenge an UV-Energie, die von einer einzelnen UV-LED erzeugt werden kann, in der Größenordnung von 100 bis 1000 Mal weniger als diejenige, die von anderen UV-C-Produktionstechnologien zur Verfügung steht, die im Allgemeinen zwischen 10 und 30 Mal effizienter als derzeit verfügbare LEDs sind, was die Umwandlung eines elektrischen Eingangs in UV-Strahlung betrifft. Einfach ausgedrückt: Heutige UV-C-LEDs können nur eine winzige Menge UV-Licht erzeugen und benötigen dafür eine relativ große Menge an elektrischer Energie.
Die Entwicklungen in der LED-Technologie für sichtbare Beleuchtungsanwendungen sind in den letzten 10-15 Jahren rasant vorangeschritten und haben sich von einer teuren, schwachen und weitgehend unattraktiven Option zu einer weithin bevorzugten Option entwickelt. Angesichts dieses bemerkenswert schnellen Fortschritts in der LED-Technologie für sichtbare Beleuchtungszwecke ist es verständlich, daß viele davon ausgehen, daß UV-emittierende LEDs ähnlich schnell entwickelt werden und vorteilhafter sein könnten. Leider ist dies bislang nicht der Fall.
Betrachten Sie zum Beispiel die XST-3535-UV8 (eine der leistungsstärkeren UV-C-LEDs, die Digi-Key zum Zeitpunkt des Verfassens dieses Artikels trug), kommentierte Auszüge aus dem Datenblatt, für die untenstehendes Beispiel angeführt ist. Beim Betrieb mit dem nominalen 350mA-Treiberstrom für das Bauteil gehen fast 2,3 Watt elektrische Energie ein, aber nur etwa 0,055W davon kommen (bestenfalls) in Form von UV-Licht heraus. Vergleicht man dies mit dem Auszug aus einem UV-C-Produktkatalog (UV-C product catalog5) von Philips Lighting, der Daten für eine Reihe von UV-C-Lampen im Fluoreszenz-Stil zeigt; hier kann ein System, das 20 Watt elektrische Eingangsleistung verbraucht, 6 Watt UV-Ausgangsleistung erzeugen; ein Umwandlungswirkungsgrad von 30 %. Das letztgenannte Gerät erzeugt mehr als das Hundertfache an UV-Strahlung, und dies mit einer mehr als zehnfach höheren Effizienz.
Bei der Verwendung für keimtötende Zwecke wird die Dosis der UV-C-Strahlung, die erforderlich ist, um >99% eines bestimmten Krankheitserregers auf einer flachen, glatten Oberfläche zu deaktivieren, von verschiedenen Quellen mit 5 bis 50 mJ/cm² angegeben, wobei sie je nach dem interessierenden Keim und anderen Faktoren stark variiert. Anders ausgedrückt, unter idealen Bedingungen könnte eine UV-LED wie die oben erwähnte in der Lage sein, die meisten Mikroben auf einer Seite einer Briefmarke in etwa 5 Sekunden zu deaktivieren. Betrachtet man einen Bereich von der Größe eines gewöhnlichen 8,5x11"-Papiers, erhöht sich diese Zahl auf etwa 10 Minuten. Andere Faktoren (wie z.B. einen Strahler dazu zu bringen, UV-Licht auf die gewünschte Oberfläche zu werfen, anstatt es seitlich abzusetzen) können die Sache weiter frustrieren.
Zusammenfassend läßt sich sagen, daß UV-LEDs potenziell nützliche Werkzeuge für antimikrobielle Zwecke bei Anwendungen mit kleinen Oberflächen sind, bei denen ein schnelles Handeln nicht unbedingt erforderlich ist und bei denen die behandelten Oberflächen während des Behandlungsprozesses von der Exposition des Menschen isoliert werden können. Es ist anzumerken, daß UV-Strahlung von einer für keimtötende Zwecke nützlichen Art implizit eine Gefahr für den Menschen darstellt; wenn sie stark genug ist, um Keime zu schädigen, ist sie auch stark genug, um Zellen im menschlichen Körper zu schädigen.
Da die meisten Verbraucher weder über die Instrumente noch über die Fähigkeiten verfügen, die erforderlich sind, um die Wirksamkeit eines bestimmten keimtötenden Mittels objektiv zu messen, gibt es reichlich Gelegenheit für skrupellose oder gut gemeinte, aber schlecht informierte Akteure, sich die weit verbreitete Besorgnis über Umweltpathogene zunutze zu machen, indem sie unwirksame Produkte an Menschen verkaufen, die nicht in der Lage sind, festzustellen, ob sie wirksam sind oder nicht. Seien Sie darauf hingewiesen, daß die meisten Produkte, die ein paar LEDs enthalten und die Hoffnung auf Sicherheit oder Schutz vor Krankheiten mit einer schnellen Welle eines Zauberstabs bieten, wahrscheinlich von dieser Art sein werden.