#rC3 - CO2 Messen - in Raumen und in der Atmosphäre

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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