COVID-19 Aerosole - Forscher entwickeln IoT-CO2-Ampel

CO2-Ampel als Kunstwerk zur COVID-19 Prävention: Selbstbau fördert die Kreativität (Foto: A. Guldner HS Trier)

Eine selbstgebaute IoT-CO₂-Ampel erfasst die Luftqualität, unterstützt beim Lüften, schont die Umwelt und gibt darüber hinaus spannende Einblicke in aktuelle MINT-Themen.

Ganz Deutschland diskutiert das COVID19-Infektionsrisiko in Innenräumen. Als wesentliche Gefahrenquelle werden beim Ausatmen entstehende feinste Tröpfchen (Aerosole) vermutet¹.

Große Tropfen fallen direkt zu Boden (Abstandregel), mittlere Tropfen verfangen sich im Gewebe der Mund-Nasen-Masken, aber feinste Tröpfchen werden nicht vollständig aufgehalten. Diese Tröpfchen können Viruspartikel enthalten und schweben längere Zeit in der Luft². Atmet man diese Aerosole in großer Menge ein, so besteht die Möglichkeit einer COVID-19 Infektion.

Konkrete Lüftungsempfehlungen („Alle 45 Minuten Querlüften“) zielen darauf, die Konzentration an Aerosolen in Innenräumen zu reduzieren. Da diese aber unsichtbar sind, lässt sich der erzielte Lüftungserfolg nur schwer kontrollieren. Örtliche Gegebenheiten beeinflussen den Austausch, Kipplüftung funktioniert nur schlecht, vergeudet Energie (Klimaschutz) und im Winter möchte keiner unnötig frieren. Fazit: Wir brauchen eine Rückmeldung über den Lüftungserfolg.

Die Forscher am Umwelt-Campus Birkenfeld nutzen die biologische Korrelation von Aerosolen und Kohlendioxid in der Ausatemluft. Neben feinsten Tröpfchen produziert der Mensch beim Ausatmen auch CO₂. Ausatemluft enthält (mit 4% = 40.000 ppm) deutlich mehr Kohlendioxid als frische Außenluft (0.04% = 400 ppm). Glücklicherweise lässt sich die CO₂-Konzentration mittels kostengünstiger Sensoren relativ einfach erfassen. „Messen wir eine Konzentration von 1.200 ppm und befinden sich mehrere Personen in diesem Raum, so stammt quasi jeder 50.te Atemzug den wir dort machen aus der Lunge eines fremden Menschen. Je höher die Konzentration, desto größer ist das potentielle Infektionsrisiko“ sagt Prof. Klaus-Uwe Gollmer von der Hochschule Trier.

Gemeinsam mit der Expertengruppe IoT im nationalen Digitalgipfel hat die Hochschule Trier mit der IoT²-Werkstatt ein Open-Source Tool entwickelt, mit dem sich ein solcher Sensor einfach im Eigenbau realisieren lässt (Internet of Things and Thinking, www.iot-werkstatt.de). Ziel der IoT²-Werkstatt ist die Verknüpfung von Informatik (Internet der Dinge) mit einem Ding des täglichen Lebens (Sensor, Maschine, Umwelt). Damit existiert erstmals ein universeller Werkzeugkasten für den MINT-Tüftler in Schule, Hochschule und Gesellschaft³. Das Internet der Dinge ist die zentrale Technologie vieler Anwendungen im Lebensumfeld der jungen Generation (Smart-Home, Smart-City, Wearables, Machine Learning), verknüpft mit der Aufgabenstellung einer Risiko-Ampel ergibt sich ein hoher Mehrwert für alle Beteiligten. In diesem Fall ist das zu untersuchende Ding die Umgebungsluft im Klassenzimmer, Seminarraum oder Labor. IoT-Funktionen ermöglichen schulinterne Visualisierung und Wettbewerbe („Wer lüftet richtig und spart trotzdem Heizenergie?“). Beim Selbstbau können sich die Schüler und Schülerinnen aktiv einbringen und die Hintergründe erforschen. Lehrkräfte aus MINT, Kunst und Ethik können das Projekt unterstützen und in ihren Lehrplan integrieren. Die Initiative möchte eine Mitmachaktion fördern und den Nachbau unterstützen. Bauanleitung und Ideen dazu finden sich auf der Homepage des Forschungsprojekts⁴. Warum eigentlich nicht ein bundesweiter Corona-Thementag zu Schulanfang?

Im Gegensatz zu einer fertig gekauften CO₂-Ampel fördert der Selbstbau fürs eigene Klassenzimmer die wichtige Akzeptanz bei der Nutzung und vermittelt so ganz nebenbei auch algorithmisches Denken, MINT-Grundlagen und das Gefühl, selbst etwas zur Risikovermeidung und zum Schutz der Gesellschaft beizutragen.

„Im Rahmen der Corona-Warn-App der Bundesregierung sprechen wir über Vertrauen und Verantwortung in der Gesellschaft. Was ich selbst gebaut habe und dessen naturwissenschaftliche Hintergründe ich verstehe, kann ich vertrauen und das werde ich auch nutzen“ sagt Prof. Klaus-Uwe Gollmer. „Reine Baukosten von ca. 100 Euro pro Warn-Ampel und damit ca. 4 Euro pro Schülerin und Schüler in der Klasse, würden für alle Schulen bundesweit weniger als 40 Mio. Euro erfordern. Ein sinnvoller Beitrag zur Pandemiebekämpfung und nachhaltige Investition in die Zukunft unserer Gesellschaft“.   

Und nach der Krise? Eine hohe CO₂-Konzentration mindert die Konzentrationsfähigkeit im Unterricht. Ausreichendes Lüften sollte also zur Selbstverständlichkeit im Tagesablauf einer Schulklasse gehören. Wie sich Stoßlüften und Kipplüften unterscheidet und welche Auswirkungen die Lüftungsarten auf den Energieverbrauch und die CO₂-Emmissionen der Schule haben, ist ein weiteres spannendes MINT-Problem, das es im Zeichen der Klimakrise zu thematisieren gilt. Gerade das Internet der Dinge (IoT) bietet hier sehr viel Innovationpotential. „Makerspaces, also Räume mit Mikrocontroller, Lötstation und 3D-Drucker, sollten zur Grundausstattung einer modernen Schule und Hochschule gehören, denn wir brauchen eine junge Generation digitaler Tüftler“ meint Prof. Gollmer. Als eine Art Technisches Hilfswerk für Digitalisierung konnten Maker-Labore in ganz Deutschland ihren gesellschaftlichen Mehrwert unter Beweis stellen. Neben der Entwicklung der IoT-CO₂-Warnampel hat das INNODIG-Labor am Umwelt-Campus z. B. Masken gedruckt und an einem DIY-Beatmungsgerät⁵ mitgearbeitet.  

Hintergründe:

Eine ganze Generation junger Menschen läuft gerade Gefahr, ein weiteres Jahr in ihrer Ausbildung zu verlieren. Kultusministerien, Schulen, Lehrkräfte und Eltern diskutieren das Wiederanlaufen des Unterrichts im Regelbetrieb. Ist es in den Hochschulen noch verhältnismäßig einfach, Vorlesungen in Form von Distance Learning und virtuellen Seminaren anzubieten, so scheitern Labore und Praktika an Abstandregeln und Präsenzverbot. Am stärksten aber betroffen sind die fast 10 Mio. Schülerinnen und Schüler an den allgemeinbildenden Schulen in Deutschland. Fachleute entwickeln Empfehlungen⁶, wie das Infektionsrisiko in den Klassenräumen und Laboren reduziert werden kann. Ausreichende Lüftung ist hier ein zentraler Aspekt.

Der Umwelt-Campus Birkenfeld ist Teil der Hochschule Trier und bündelt Forschung und Lehre zu MINT-Themen mit Fokus auf Digitalisierung und Nachhaltigkeit. Hier arbeiten Studierende der Informatik und der Ingenieurwissenschaften gemeinsam mit den Lehrenden an der Lösung drängender gesellschaftlicher Fragestellungen. Der Umwelt-Campus belegt im internationalen Wettbewerb GreenMetric⁷ Platz 6 von über 700 Hochschulen und Universitäten und ist damit Deutschlands grünster Hochschulstandort.

Die Expertengruppe IoT⁸ ist ein Beratungsgremium innerhalb des nationalen Digitalgipfels der Bundesregierung und erarbeitet Handlungsempfehlungen für die Politik.

[1]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S016041202031254X?via%3Dihub!

[2]https://depositonce.tu-berlin.de/bitstream/11303/11477/5/hartmann_kriegel_2020_de.pdf

[3]https://www.bildung-forschung.digital/de/iot---ein-werkzeugkasten-fuer-die-mint-bildung-3163.html

[4]https://www.umwelt-campus.de/forschung/projekte/iot-werkstatt/ideen-zur-corona-krise

[5]https://devpost.com/software/diy-beatmungsgerat

[6]https://www.krankenhaushygiene.de/ccUpload/upload/files/2020_08_03_Stellungnahme_DGKH_Paediater.pdf

[7]https://www.umwelt-campus.de/campus/aktuelles/medien-presse/pressemitteilungen/umwelt-campus-birkenfeld-uebertrifft-vorjahresergebnis

[8]https://deutschland-intelligent-vernetzt.org/expertengruppen/expertengruppe-m2minternet-der-dinge/

Ansprechpartner:

Prof. Dr.-Ing. Klaus-Uwe Gollmer | k.gollmer[at]umwelt-campus.de | 06782/17-1223

Umwelt-Campus Birkenfeld der Hochschule Trier, Mitglied der Expertengruppe IoT

CO2-Ampel im Selbstbau: Eine Mitmachanleitung unter www.iot-werkstatt.de (Foto: G. Burger)

Wer puzzeln kann, der kann mit der IoT2-Werkstatt auch kleine Algorithmen spielerisch umsetzen.

Das Internet der Dinge macht es möglich: Überblick über alle Funktionsräume und spannende Wettbewerbe