CO2 Messen - in Raumen und in der Atmosphäre
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Formale Metadaten
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| Serientitel | ||
| Anzahl der Teile | 275 | |
| Autor | ||
| Lizenz | CC-Namensnennung 4.0 International: Sie dürfen das Werk bzw. den Inhalt zu jedem legalen Zweck nutzen, verändern und in unveränderter oder veränderter Form vervielfältigen, verbreiten und öffentlich zugänglich machen, sofern Sie den Namen des Autors/Rechteinhabers in der von ihm festgelegten Weise nennen. | |
| Identifikatoren | 10.5446/52086 (DOI) | |
| Herausgeber | ||
| Erscheinungsjahr | ||
| Sprache |
Inhaltliche Metadaten
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| Abstract |
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| Schlagwörter |
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CDEEnhanced IDELIGA <Programm>BetriebssystemComputeranimationBesprechung/Interview
01:13
HardwareMEGAmakeParametersystemBesprechung/InterviewComputeranimation
02:10
Proxy ServerVerbrennungHochdruckEckeComputeranimation
03:16
MengeSchaleHöheComputeranimationDiagramm
04:18
Computeranimation
05:21
ComputervirusSpur <Informatik>VariableComputeranimation
06:39
LinieMeterKurveHöheEinflussgrößeEckeComputeranimationDiagramm
09:05
AMG <Mathematik>SchwingungSatellitensystemSchwarze StrahlungDiagramm
12:52
StreckeWinkelSchwingungTyp <Informatik>Rang <Mathematik>
14:49
Klasse <Mathematik>SchwingungPunktspektrumAkustisches VerfahrenComputeranimationBesprechung/Interview
16:44
EinflussgrößePunktspektrumSenderQuadratSLIP <Programmiersprache>PROBE <Programm>
18:25
USB <Schnittstelle>QuadratPrototyping
19:08
LeitfähigkeitQuadratVariable
20:13
USB <Schnittstelle>Drahtloses lokales NetzBefehlsprozessorAktion <Informatik>BiproduktLeitfähigkeit
21:16
ComputeranimationBesprechung/Interview
23:08
RichtungPROBE <Programm>Ungleichung
24:29
PhysikVektorNevanlinna-DefektMikrocontrollerInternetMengeInterface <Schaltung>GeometrieSage <Programm>AlgorithmusSerielle SchnittstelleDownloadingIIC-BusTwitter <Softwareplattform>Computeranimation
31:27
PromilleAussage <Mathematik>QuadratARM <Computerarchitektur>Einflussgröße
33:35
SoundverarbeitungEinflussgrößeStrich <Typographie>MengeFirmwareKurvenanpassungKomponente <Software>RichtungGrößenordnungUngleichungÄhnlichkeitsgeometriePrognoseSpiraleGroße VereinheitlichungAussage <Mathematik>
43:33
SoftwareentwicklerHöheEinflussgrößeKomponente <Software>Twitter <Softwareplattform>DateiDickeQuellcodeKapazität <Mathematik>RichtungDruckspannungChipkarteTyp <Informatik>Prozess <Physik>ALT <Programm>SatellitensystemmakeZahl
53:32
Finite-Elemente-MethodeComputeranimation
Transkript: Deutsch(automatisch erzeugt)
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Vor der Industrialisierung waren die CO2-Gehauten in der Atmosphäre relativ stabil. Seitdem sind sie nur noch gestiegen. Unser nächster Redner Sebastian Pichel erklärt uns unter anderem verschiedene Möglichkeiten,
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dieses farblose und sichtbares Gas zu messen. Bitte heißen euch Sebastian herzlich willkommen. Ja, dann hallo RC3. Mir hat leider mein Betriebssystem meine Präsentation ein wenig beschädigt,
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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.
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Etliche Vorträge haben ja sowohl das Thema CO2 im Kontext von Klimaerhitzung als auch im Kontext der Corona-Krise behandelt. Und ich möchte hier ein bisschen die Hintergründe beleuchten und im Brücke schlagen zwischen dem, was einen als Maker interessiert, was immer mit der Hardware spielt
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und was tatsächlich als Messprinzip im Hintergrund abläuft. Dann sehen wir da ein ziemlich großes Gerät und ein Piktogramm für ein in der Regel sehr kleines Gerät. Wir schauen uns jetzt in Kürze an, was die miteinander gemeinsam haben.
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Warum will man überhaupt CO2 messen? Man möchte sich anschauen, wie sich unser Klima weiterentwickelt. Man möchte zum Beispiel in Gewächshäusern für kontrollierte Wachstumsbedingungen sorgen. Wir haben das Thema mit künstlicher Beatmung in medizinischen Notfällen.
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Da möchte man die Vitalparameter messen, aber auch, was tatsächlich in den Atemgasen vorgeht. Die Überwachung von Abgasen, von industriellen Anlagen, von Kraftwerken ist relevant. Man möchte wissen, ob man eventuell in einem Bergbau gefährliche CO2-Konzentration hat.
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Und zum Beispiel auch bei der Bierbrauerei wird auch CO2 frei. Und wenn sich das im Keller anreichert, kann das gefährlich werden. Wo begegnet uns CO2 im Alltag?
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Wir kennen Sprudelwasser, wir kennen das als Verbrennungsprodukt von sämtlichen Verbrennungen. Wir kennen das als Autoabgase, wir kennen das als Kraftwerkabgase. Das mit dem Kaffee ist vielleicht für uns Nerds natürlich wichtig. Die wenigsten trinken wahrscheinlich koffeinfreien Kaffee. In der Tat wird CO2 in einem sogenannten überkritischen Zustand, also unter sehr hohem Druck,
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dazu verwendet, Koffein zu extrahieren aus Kaffeebohnen. Darunter sehend unten rechts in der Ecke ist Trockeneis. Das haben wir gerade mehrfach in den Medien gehabt, weil das genötigt wird, um die aktuell entwickelten RNA-Impfstoffe zu kühlen und zum Betreiben von Getränke-Zapfanlagen.
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Und tatsächlich in Backpulver wird auch CO2 freigesetzt. Wo CO2 auch noch eine Rolle spielt, ist tatsächlich massiv in unserem Ozean.
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Der Großteil von dem CO2 ist nämlich tatsächlich nicht in der Atmosphäre, sondern im Ozean gebunden in einem Gleichgewicht aus dem Gasförmung CO2 und den verschiedenen Stufen der Kohlensäure bis hin zum Kalk, aus denen dann zum Beispiel Muscheln in ihrer Schale bauen.
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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.
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Fürchtig. Gut, als Mensch hat man natürlich auch ein Interesse daran, nicht zu viel CO2 einzuatmen, weil man eben tatsächlich auch medizinische Beschwerden bis auf Vergiftungserscheinungen erleiden kann.
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Oder hat man im Endeffekt das gleiche Ergebnis, als wenn man sich so ein CO2-Sprusel gerät, was man in der Küche zum Mineralwasser produzieren nimmt und damit CO2 absichtlich ins Wasser reindrückt.
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Was ähnliches passiert dann im Eozean auch. 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.
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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 Spuren CO2, so 0,5% aktuell.
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Ausgehartnet wird ungefähr 17% Sauerstoff, 4% CO2 und je nachdem Wasserdampf. Und eben auch beim Husten singen, wie wir gelernt haben dieses Jahr, auch sogenannte Aerosole,
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das heißt einfach feine Partikel, die in der Luft schweben können, meistens Tröpfchen. Und die Idee ist, dass tatsächlich sollte ein Mensch mit dem SARS-CoV-2-Virus infiziert sein, während er oder sie tatsächlich CO2 ausatmet, auch gleichzeitig das Virus ausscheidet
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und man sozusagen das CO2 oder auch die hier noch genannten flüchtigen organischen Verbindungen als Platzhalter nimmt dafür, da man das Virus nicht direkt nachweisen kann.
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So, dann kommen wir zurück zu dem Eingangsbild. Dieses große Instrument ist das Mauna Loa Absoratorium, steht auf einem Berg in Hawaii, auf 4000 Meter Höhe und damit relativ weit vom Meeresspiegel entfernt und von auch sämtlichen Wolken,
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die eben mit Wasserdampf die Messungen 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.
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Diese Kurve ist auch bekannt als Keeling-Kurve, um ihn 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.
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Auch sehr schön in der Vergrößerung sieht man, dass man es über einen Jahr schwankenden Zyklus gibt. Das ist sozusagen die Entwicklung. Der eine oder andere hat vielleicht auf Social Media dieses Meme mitgekriegt.
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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 erst mal nicht so super schlimm aus, aber wenn wir jetzt auf der Zeitachse ein bisschen rausgehen, dann sehen wir,
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da ganz ganz am rechten Rand ist eine Linie, die quasi senkrecht hoch geht. Das war gerade diese Keeling-Kurve und davor diese hoch und runter schwankende Linie. Das sind Messungen aus Eisbohrkernen und der Verlauf der CO2-Konzentration in der Atmosphäre
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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 einen Bereich hoch und runter und dann ausgerechnet auf der Spitze einer Warmzeit
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setzt die Interestralisierung ein und der CO2-Wert schießt in die Höhe. Gemessen wird das eben nicht nur durch zum Beispiel dieses Observatorium am Boden, sondern auch unterstützt durch Satelliten, die eben auch noch außen im Weltraum durch die Atmosphäre durchschauen. So, jetzt ist die Frage, wie funktioniert das eigentlich?
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Man sieht schon, die Sonne hat da 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 einen Prisma durch
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und beobachtet mit einem Objektiv, was diese Lichtquelle tatsächlich für Spektralkomponenten hat. Und indem man dieses Objektiv über den Regenbogen, der aus dem Prisma herauskommt, verschiebt,
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kann man dann eben die verschiedenen Spektalfarben sich ansehen. Unten ist dann die ganze Variante doch eher computerisiert. Und dann hat man eben auf der linken Seite meistens eine tatsächlich hologenen Wolfram Blühbirne. Die durchstrahlt eine Probe, dann wird das durch einen schmalen Schlitz geleitet, dass man eine scharfe Auflösung hat.
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Und über ein Beugungsgitter wird das Ganze in die Spektralanteile zerlegt und hier eben durch einen Fotodioden-Array ausgelesen. Und dann bekommt man zum Beispiel so ein Spektrum, wie dort dargestellt ist.
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Wenn man jetzt das mit der Sonne macht, bekommt man ungefähr diesen Verlauf. Man kennt auch noch aus dem Physikunterricht in der Schule die Theorie der Schwarzkörperstrahlung. Und das passt auch ziemlich gut zu dem, was aus dem Sonnenspektrum rauskommt.
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Dieses orangefarbene Muster ist das Lichtspektrum außerhalb der Erdenatmosphäre gemessen. Wenn man das jetzt aber auf der Erde macht, stellt man fest, da sind ja solche doch erheblichen Kerben in diesem Spektrum drin.
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Das sind tatsächlich Absorbtionsbeiträge von Teilen der Atmosphäre. 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.
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Wir sehen den Regenbogen des sichtbaren Lichts und daran anschließend das Nah-IR, Ferne-IR und mit immer geringeren Amplituden.
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Unten ist die Wellenlängenskala noch weiter verlängert. Wir sind jetzt bei 2 Mikrometer bis 16 Mikrometer. Das ist schon ein thermisches IR, wie man sagt, relativ fernes Infrarotstrahlung. Ganz am linken Rand sind noch Wellenlängenbereiche, die man so kennt aus CD-Playern oder Glasfasernetzwerkleitungen,
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irgendwie so um ein Mikrometer herum. Und dann, immer länger wellig, werden dann die Absorptionen von den Gasen, die uns interessieren. Oben ist eine Darstellung des CO2-Moleküls. Das ist ein lineares, gestrecktes Molekül, also quasi wie so 3 Perlen einer Perlenkette.
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Wenn man sich das genau anguckt, können die auf verschiedene Art und Weise zur Schwingung angeregt werden. Ganz oben links, so hellblau unterlegt, ist eine symmetrische Streckschwingung.
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Die ist tatsächlich nicht, man sagt, IR-aktiv, also die nimmt keine IR-Strahlung auf oder keine Lichtanregung auf, sondern ist im sogenannten Rahmannspektrum zu sehen. Das ist dann was für Molekülschwingungsspektroskopie.
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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, so halblinks in der Mitte relativ deutlich zu sehen, CO2. Und die unteren beiden Schwingungen, das ist quasi, wenn man diese Perlenkette,
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dieses lineare Molekül zu so einem kleinen Bumerang verbiegt, zu so einem kleinen Winkel, diese Schwingungen sind dann auf der rechten Seite als so ein breites Linienmuster zu sehen. Das ist tatsächlich so weit weg, dass es eher schwierig zu vermessen ist,
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während diese 4,5 Mikrometer noch halbwegs erreichbar sind. So, und jetzt geht es tatsächlich zu den Sensoren. Und zwar möchte ich mich hier fokussieren auf die, wohl am weitesten verbreiteste Type, die NDIR-Familie-Sensoren.
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Das sind non-dispersive Infrared, nicht-dispersive Infrarotsensoren. Nicht-dispersiv heißt an der Stelle, es ist kein lichtbeugendes Element involviert. Das heißt, es wird einfach komplett weitbandig quasi, weißes Licht könnte man sagen,
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eingestrahlt auf die Probe und eben nicht durch ein Prisma oder Gitter oder so etwas nach Wellenlängen gesortiert. Die zweite Klasse sind Metalloxidbasierte Sensoren.
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Das Schlüsselwort MEMS ist den meisten wahrscheinlich auch schon mal unter die Augen gekommen. Mikromechanisch, wie war das, Micro Mechanical Engineered Microsystems.
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Das heißt, sind mit Silizium Herstellungstechnologie feine Mikrostrukturen, mit denen dann eben sowas zuerst wurden Beschleunigungs-Sensoren damit gebaut. Und diese Methoden werden jetzt auch verwendet, um zum Beispiel solche CO2-Sensoren zu bauen.
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Und das dritte ist eine photoakustische Methode. Das ist im Prinzip, dass man diese Schwingung, 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.
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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.
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So, dann könnte man denken, Infrarot, ja, kennt man, Fernbedienung, alles klar. Ja, leider nicht. Hier jetzt rechts nochmal das Spektrum von vorhin.
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Diese Infrarot-Leuchtioden, die wir von der üblichen Fernbedienung kennen, sind leider wirklich gerade nur so am Rand des roten Spektrums gerade so nicht mehr sichtbar. Aber leider bei weitem noch nicht langweilig genug, als dass die für unsere Messungen nützlich wären.
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So, dann ist hier so zum Beispiel ein Teil der kaputten Präsentation. Da sollten eigentlich noch ein paar mehr Sensoren da sein. Dieses Goldene ist quasi eine metalisierte Probenkammer. Und darunter versteckt sind dann eben die Lichtquelle und der Lichtsensor.
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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.
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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.
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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.
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Und dementsprechend mit der Zeit sich anpasst. So, die zweite Sache ist, das hier ist das Cardio-Batch bzw. das ist noch ein Foto von Prototypen. Da möchte ich bloß zeigen, der Sensor ist da links unten in diesem grünen Quadrat.
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Und ich fürchte, die ganze Sektion mit den Metalloxid-Sensoren hat sich verabschiedet. Das ist schade. Gut, dann kurz frei.
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Im Prinzip ist so ein Metalloxid-Sensor eine dünne, also wie der Name schon sagt, Metalloxid, ein metalloxidischer Halbleiter, der in einer dünnen Schicht auf einen Silizumwerfer aufgebracht ist. Und auf der Oberfläche kann sich dann eben verschiedene Bestandteile der Luft ablagern und damit reagieren.
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Wenn man etwas hat, wie Kohlenmonoxid zum Beispiel, das ist tatsächlich ein leicht reduzierendes Gas, dann wird aus dem Sauerstoffanteil, aus dieser Metalloxid-Schicht, wird ein bisschen was abgezogen, um das Kohlenmonoxid zu oxidieren und verändert die Leitfähigkeit von diesem Halbleiter.
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Wenn man sowas hat wie Stickoxid zum Beispiel, kennt man aus Autoabgasen, das wiederum könnte zum Beispiel diese Halbleiterschicht ein wenig oxidieren und damit ebenfalls die Leitfähigkeit verändern.
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Und was hier eben in diesem grünen Quadrat links unten, das ist dieses kleine silbrige Kästchen, also ungefähr zweimal drei Millimeter groß, da ist sowohl dieser Sensor drin als eben auch ein kleiner Mikrocontroller,
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der die Auswertung und Ansteuerung macht und ein kleines Heizelement, was dazu notwendig ist, wenn diese Oberfläche mit Reaktionsprodukten beschichtet ist, also wenn sich eben aus der Luft Bestandteile darauf abgelagert haben,
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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 ein neues Ergebnis messen können. Das heißt, dann schaltet man kurz diese Heizung an, um diese Reaktionsprodukte unterzukriegen
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und lässt das Ganze wieder abkühlen und kann dann ein bisschen später wieder eine neue Messung machen.
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Und die Photoakustik ist komplett verlöten gegangen, das ist sehr sehr schade. Das ist tatsächlich noch nicht so richtig marktreifes, oder zumindest relativ kurz vor Markteinführung befindliches Messprinzip.
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Diese Sensoren sind ungefähr so groß wie ein Zuckerwürfel, das sind auch kleine integrierte Platinen. Da 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.
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Und davon habe ich tatsächlich an zwei Firmen mal gefragt, 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 Infrarotlichtquelle,
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oder man kann im Prinzip im Labor auch so einen Fotoblitz benutzen, und schießt dann ein Lichtblitz eben auf ein Gasvolumen, was man testen will.
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Und hat tatsächlich wirklich einfach ein sehr empfindliches Mikrofon und ein Messerstärker, der dann eben das daraus resultierende Signal auffängt.
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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 Probenkammer aufzubauen.
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Und zum Beispiel aus einer CO2-Patrone einfach mal ein bisschen CO2 drauf stürmen lassen und vergleichen, welcher Sensor misst was, mal mit dem Feuerzeug ein bisschen Verbrennungsgase produzieren,
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mal gucken, welcher Sensor misst was. Aber es stellt sich raus, in einer globalen Pandemie, wo sowieso Lieferschwierigkeiten in allen Richtungen sind und alle Welt daran interessiert ist, CO2-Ampeln zu bauen.
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Es ist nicht so einfach, kurzfristig CO2-Sensoren zu kriegen und erst recht nicht viele verschiedene. Von daher wird das wahrscheinlich dann ein noch mal weiteres Projekt und vielleicht auch noch einen weiteren Talk gehen. Und dann würde ich sagen, gehen wir noch zu Fragen und Antworten über.
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Ich denke, wir sollten ja auch noch gut die 10 Minuten haben jetzt. Ja, haben wir. Erstmal trotz der technischen Schwierigkeiten, danke Sebastian fürs großartige Vortrag. Wir haben ja Fragen von den Internets. Ich fange mal an mit einer der einfachsten.
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Würde es die Folien zum Download geben? Ja, aber ja, ich habe tatsächlich einiges an Bildmaterial zusammengetragen und Links und auch relevante Datenblätter und sowas.
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Und das ist jetzt doch ziemlich ärgerlich, dass das alles flöten gegangen ist, jedenfalls zumindest in der Zusammenstellung. Aber ich schätze mal, im Januar wird auch nicht viel zu tun sein. Kannst du uns vielleicht ein bisschen erklären, über die Sensoren kalibrieren?
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Zum Beispiel, wie oft müssen die kalibriert werden? Und wie kalibriert man die Sensoren? Das ist eine sehr gute Frage. Diese NDIR-Sensoren, also diese Infrarot-Lichtadsorptionssensoren, sind im Prinzip ein absolutes Messverfahren. Das heißt, man kennt sämtliche physikalischen und chemischen Größen der beteiligten Gase
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und dann kommt es eigentlich nur noch auf die Geometrie der Messkammer an und blöderweise auch auf Alterung von der Lichtquelle und dem Sensor. Man weiß ja halbleiter degradieren mit der Zeit und auch eine Glühbirne geht irgendwann kaputt.
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Das heißt, wenn man das, dann muss man hauptsächlich diese Teile wegkalibrieren, aber die Physik dahinter ändert sich nicht. Bei diesen Metalloxid-Sensoren ist die Sache, das ist quasi ständig im Wandel und dahinter hängt, was ich gezeigt habe, auf dem Cardio-Batch zum Beispiel.
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Dieser Mikro-Controller hat auch noch einen Kalibrierungsalgorithmus mit eingebaut und der funktioniert tatsächlich so, dass es in der Datenblatt heißt, man soll diesen Sensor erst einmal 24 Stunden laufen lassen
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und der nimmt automatisch an, dass er an Frischluft mit ungefähr 400 ppm CO2 ausgesetzt ist und pendelt sich darauf ein und macht im Hintergrund so ein bisschen automatisch diese Kalibrierung. Aber natürlich eben auch nicht rein auf das CO2, weil die angesprochen,
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beziehungsweise das habe ich tatsächlich so explizit gar nicht gesagt, diese Metalloxid-Sensoren sind für CO2 blind. Die können eben Kohlenmonoxid messen oder die können organische Substanzen,
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die man eben, was man als Mensch ausatmet, messen und sie nehmen sozusagen da nochmal einen anderen Umweg, um CO2 zu messen und darauf dann eben nochmal diese Zusatzannahme mit der Virus-Ausscheidung zu machen.
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Also da sind halt auch eine Menge Pi mal Daumen-Annahmen im Hintergrund. Von daher muss man da schon auch immer gucken, was müsste man da eigentlich und welche Messgenauigkeiten sind eigentlich angegeben.
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Aber ja, Kalibrierung ist nicht einfach. Danke. Hattest du es für eine wertvolle Strategie, CO2-Sensoren bis 2021 in möglichst viel Handel zu bekommen, das heißt Arztpraxen, Klassen, Zimmer, Geschäfte und so weiter, um die Übertragung von SARS-CoV-19 in der Luft zu verringern?
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Naja, die Sensoren können die Konzentrationen nicht verringern und ich fürchte, das ist eher eine politische und gesellschaftliche Frage als tatsächlich eine technologische. Ich habe mir darüber jetzt im Verlauf des Herbsts auch vier Gedanken gemacht und auch hier im Chaos-Umfeld mit einigen Leuten drüber philosophiert,
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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
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und wollte, dass das besser nicht passiert. Und dann muss eben die Infrastruktur dahinter, muss auch noch in Stand gehalten werden und Defekte ausgebessert werden und die Daten müssen ausgewertet werden und so was. Das ist eine Menge Arbeit und ich weiß nicht, ob das tatsächlich gesellschaftlich gewünscht genug ist.
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Also ich bin nicht sicher, aber ich fürchte, es wird keinen großen Ausschlag machen. Jedenfalls nicht für die breite Gesellschaft. Wereschiffe und den verschiedenen Sensoren lassen sich am einfachsten zum Beispiel an Arduino anschließen.
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Das ist tatsächlich bei allen ziemlich einfach. Das Internet ist voll mit How-To's, wie man diese Sensoren ansteuert. Die meisten haben entweder eine typische serielle Schnittstelle oder einen I2C-Bus und lassen sich über diese eigentlich
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sehr gängigen digitalen Schnittstellen auslesen. Es gibt auch, wenn man tatsächlich so ein Sensorsystem selber bauen will, kann man tatsächlich auch mit denen noch so weit runtergehen, dass man sich die analogen Sensoren, also quasi wirklich den nackten Fotosensor oder den nackten Metalloxid-Sensor nimmt
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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 mit Arduino auskennt.
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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 eFediverse unter der Verwendung des Hashtags
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rc3one, also Richard Caesar 3, auto Nordpol email. Wie hoch kann der CO2-Gehalt im Innenraum sein? Und bis wann ist es gefährlich oder ab wann ist es gefährlich? Da könnte ich mal nochmal zu dieser Folie zurückspringen.
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Mensch, wo ist der Mensch? Genau, der.
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Also hier sind so die Angaben, die ich gefunden habe, sind so wenige Prozent. Also ein Prozent sind 1000 ppm. 1000 ppm heißt ja einfach nur parts per million.
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Das heißt, 1000 parts per million kürzt sich dann weg auf ein Prozent. Quatsch, 10.000 ppm Unsinn. Also 1000 ppm sind ein Promille und Prozent sind nochmal eine Zehnerpotenz mehr. Das heißt, ein Prozent, dieses grüne Quadrat, sind dann eben 10.000 ppm.
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Das ist dann schon 25-fache der Normalkonzentration. Und da wird es dann langsam gefährlich. Aber ich glaube, so Konzentrationsstörungen und so ein bisschen, dass man nicht mehr so komplett so schnell und konzentriert arbeiten kann,
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fängt schon bei 1000 ppm an. Und was ich so gehört habe, in den letzten Monaten erreicht man das in so einer typischen Schulklasse wohl innerhalb von einer Viertelstunde oder so was. Und sicherlich auch in so dem typischen Meeting oder Besprechungsraum irgendwie mit ein paar Leuten.
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Je nach Luftblumen, das geht erstaunlich schnell. Ich habe es tatsächlich selber noch nicht nachgemessen. Das sind jetzt bloß Aussagen aus dritter Hand. Aber das geht wohl relativ schnell. Dass es tatsächlich gefährlich wird, weiß ich nicht. Das ist eher eine Frage für einen Mediziner. Und hängt sicherlich noch so ein bisschen vom individuellen Menschen an.
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Aber ich glaube, so in normalen Alltag wird das nicht passieren, dass man aus Versehen sozusagen in eine gefährliche Konzentrationsbereich kommt. Welches brauchbar Sensor für CO2-Messungen?
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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 auch in die Finger zu kriegen, kann ich das auch nicht nachprüfen.
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Ich würde sagen, da sowieso die Annahme ist, das war ja ganz am Anfang diese Grundannahme, dass wenn ein Mensch infektiös ist und SARS-CoV-2-Viren ausscheidet,
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dass das irgendwie in Relation steht mit der Menge an CO2 oder flüchtigen organischen Verbindungen, die der Mensch ausatmet. Das wäre schon mal die erste Annahme. Weil darauf kommen natürlich auch viele Menschen, die nicht infektiös sind,
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aber trotzdem CO2 und organische Verbindungen ausatmen. Das heißt, wenn man auf diese Infektionsvoraussage möchte, ist das schon mal eine Sache, die man annehmen muss und die nicht unbedingt zutreffen muss. Und wie gesagt, auch die Genauigkeiten in den Datenblättern der verschiedenen Sensoren
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sind teilweise angegeben mit fast 100 ppm oder sowas. Also es sind manchmal schon eher grobe Richtlinien als präzise Messwerte. Von daher, das mit der CO2-Ampel trifft es eigentlich ganz gut. Es ist sozusagen so ein grobes Signal.
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Es ist rot, gelb, grün, aber man kann jetzt nicht zum Beispiel die Farbe eines Regenbogens auflösen. 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, was soll ich sagen am Schluss? Der beste Sensor ist wahrscheinlich den, den man bekommen kann.
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Also wo sollten dann CO2-Sensoren am besten in Räumen befestigt werden? Das ist auch eine gute Frage, weil auch da ist ja die Annahme,
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dass die CO2-Konsultation 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 geringsten an unter der Decke bis am höchsten am Boden sein.
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Andererseits ist die Atemluft, die man ausatmet, warm. Die ist auch leichter als der Rest der Luft und steigt nach oben wie bei einem Heißluftballon. Das Gegenteil mit dem CO2 am Boden, vielleicht hat mal jemand was von der Hundskrotte gehört. Das ist eine Höhle, wo sich tatsächlich aus dem Gestein CO2 rauskommt und sich ein Teppich an CO2 auf dem Boden ausbreitet,
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was schon dem einen oder anderen Hund zu 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 Fenster öffnen und lüften. Das sorgt auch für Verwirbelungen.
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Unterm Strich muss ich sagen, ich weiß es nicht. Es wäre sehr spannend, auch wieder, dafür müsste man erst mal so viele Sensoren kriegen, aber wenn man tatsächlich so ein Klassenzimmer, so was mit wahrscheinlich etlichen Dutzend solcher Sensoren strategisch über den Raum verteilt vermessen
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und dann diese Messwerte über die Zeit darstellen, dann hat man so ein hübsches Broxel-Diagramm oder so was. Das wäre sehr spannend, um diese Frage zu beantworten. Unterm Strich muss ich auch da sagen, kann ich nicht sicher sagen.
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Und falls es einen Raum gibt, in dem keine mechanische Lüftung oder eine Klimaanlage mit frischer Außenluft möglich ist oder gibt, wie kann er am effektivsten belüftet werden?
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Tja, durch die Tür? Also, naja, Lüftung ohne Zugang zur Außenluft ist halt schwierig. Gibt es zum Beispiel U-Boot-Anlagen oder so was Ähnliches?
38:21
Mit U-Booten kenne ich mich tatsächlich überhaupt nicht aus. Also ich kann mir nur vorstellen, dass man so einen faltbaren Lüftungsschleuch oder so was ist. Also ich kenne das mit so einer Drahtspirale, die mit Aluminiumfolie oder Kunststofffolie umantelt ist,
38:45
die man dann so ausziehen kann. Oder so was wie die Seidenstraßerohre oder so was, dass man die eben in den Raum reinlegt und dann irgendwo ans andere Ende quasi wirklich einen Staubsauger ran schließt und dann einfach die Luft durch dieses Rohr aus dem schlecht zu erreichenden Raum absaugt,
39:04
rauspustet oder reinpustet. Also da ist dann halt auch, glaube ich, wieder kreativer Hackerparanzweise gefragt, weil, ja, wenn es baulich nicht vorgesehen ist, schwierig. Aber durchaus sicherlich auch dann eine Anwendungsfalle,
39:21
wo es Sinn machen würde, sich so einer CO2-Ampel hinzuhängen, damit man dann weiß, okay, jetzt ist die Luft wirklich so schlecht, dass wenn man was machen muss. Gibt es einen Effekt von Pflanzen im Innenraum?
39:41
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
40:03
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.
40:20
Und dann müsste man sich wahrscheinlich so richtig ordentlich einen Dschungel in den 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 genau sagen kann. Irgendjemand muss den ersten Schritt machen.
40:46
Vielleicht eine feste Frage. Kannst du uns ein bisschen mehr erklären, wie stellt man sicher, dass die Cardio-Bad sich richtig kalibriert ist?
41:00
Dazu kann ich noch nicht wirklich was sagen. Ich hab ein bisschen mitbekommen, dass jetzt in den letzten Monaten tatsächlich so langsam die Firmware auf einem Stand ist, dass dieser WME 680, dieser Umweltsensor, vollständig ausgelesen werden kann. Da lohnt es sich, auf die Seite vom Cardio-Badge,
41:25
cardio.events.ccc.de, mal zu gehen und gegebenenfalls auch mal mit dem Team in Kontakt zu treten oder wenn man Lust hat, auch gern mitzuentwickeln. Das sind halt auch Programmieraufgaben, die noch umgesetzt werden müssen.
41:42
Da gibt's irgendwo ein riesiges Datenblatt, wo drinnen 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.
42:05
Und da würde ich empfehlen, sich an Schneider zu wenden, der einer der Teamleads ist, der die Cardio-Badge tatsächlich umgesetzt hat. Der ist unter anderem gerade jetzt in den letzten Wochen noch damit beschäftigt gewesen, genau sich damit zu beschäftigen.
42:25
Da das jetzt verschiedene Tippen von Sensoren und die reagieren ja auch auf verschiedene andere Gase mit anderen Curven, gibt es ein bestehendes Konzept für Sensor Fusion, um das Genauigkeit zu steigen durch mehr verschiedene Sensoren?
42:47
Ich bin nicht sicher, ob ich die Frage verstanden habe. Weil die verschiedenen Sensoren haben andere Curven für den verschiedenen Gase, gibt es schon ein Konzept, mehrere verschiedene Sensoren gleichzeitig zu nutzen,
43:03
um das Genauigkeit der Messungen hochzusteigen? Dass man quasi so ein Metalloxid mit so einem NDIR-Sensor verpaart und dann die beieinander vergleicht. Das würde ich annehmen.
43:22
Durchaus möglich. Ich habe bei der Recherche bei einem Hersteller gesehen, dass die genau das gemacht haben, dass sie ihren Metalloxid-Sensor ebengegen geprüft haben gegen einen auch hochwertigen NDIR-Sensor und festgestellt haben, dass ihr Messwert,
43:43
das wird meistens angegeben als eCO2, also Äquivalent-CO2 oder Estimated-CO2, eins von beiden, dass sich dieser Wert schon ziemlich gut mit dem von dem echten CO2-Sensor gemessenen Wert, dass die beiden sehr gut übereinstimmen.
44:00
Die Voraussetzung ist natürlich immer, oder die Annahme ist immer, dass tatsächlich auch Menschen für den CO2-Anstieg verantwortlich sind im Raum, weil die eben dann auch diese flüchtigen organischen Verbindungen ausatmen. Das wäre zum Beispiel eine Sache, die ich gerne im Experiment selber ausprobiert hätte, von dem was passiert, wenn man diese beiden Sensortypen nur CO2 aussetzt,
44:25
dann müsste eigentlich dieser Metalloxid-Sensor quasi keine Veränderungen zeigen, und nur der echte CO2-Sensor sollte eine Veränderung anzeigen. Während man zum Beispiel, wenn man jetzt einen Zug Atemluft einfach in so eine Messkammer reinpustet,
44:42
dann müssten eben beide gleichmäßig einen Ausschlag zeigen. Inwieweit man dafür so ein Sensor-Fusion-Konzept hart ausarbeiten kann, gibt es sicherlich Ansätze, aber dass es da jetzt irgendwie was Offizielles oder sowas gebe,
45:01
davon weiß ich jetzt auch nichts. Okay, ihr könnt uns Fragen stellen, wir haben ein paar Minuten mehr, entweder über IRC, das unten verlinkt ist, oder über Twitter, Fediverse, unter der Verwendung des Hashtags rc3one, also Richard Caesar 3, Otto Nordpol, email.
45:23
Ja, ist es möglich, großflächige CO2 durch Satelliten zu messen? Ja, das wird gemacht. Also es gibt, ich habe nicht nachgezählt, aber ich glaube schon so zwei Dutzend mindestens Satelliten, die genau das tun und halt auch unterschiedlichen Alters
45:41
und mit unterschiedlichen Messgeräten an Bord. Aber das wird gemacht natürlich. Also es gibt ja auch so richtig so Karten, die in so Falschfarben die CO2-Konzentration je nach Ort auf der Erde anzeigen und sowas. Das wird genau so gemacht.
46:03
Da das CO2 ein sehr richtiger Gas ist in Richtung Klimawandel, weißt du zufällig, welche Prozesse beursacht die meisten CO2?
46:23
Die sind von Abgas. Nein, kann ich leider nicht sagen. Es ist auch ein riesen Bereich. Ich war selber irgendwann mal ziemlich überrascht, dass tatsächlich die Fleischindustrie
46:41
zum Beispiel einen signifikanten Anteil hat und auch deutlich mehr als ich selber erwartet hätte. Ich weiß die Zahl tatsächlich nicht mehr auswendig, aber so vegane oder vegetarische Ernährungsweise wäre tatsächlich, wie es aussieht,
47:00
ein doch nicht so vernachlässigender Teil, um so die gesamte CO2-Entwicklung zu reduzieren. Davon abgesehen haben wir natürlich auch noch andere Klimagase wie zum Beispiel Methan, was eben auch Kühe doch in nennenswerter Weise ausscheiden und auch Klimagas ist. Methan kann man tatsächlich mit ähnlichen Methoden
47:21
wie eben diese optischen CO2-Sensoren messen, bloß eben mit anderen Lichtwellenlängen. Das habe ich jetzt hier natürlich nicht im Detail angesprochen, aber im Prinzip geht das auch und wird auch gemacht. Von daher ist auch nochmal die Frage, geht es um Klimaerwärmung insgesamt?
47:41
Da muss man natürlich 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.
48:01
Wie viele Tonnen von Gas X haben eine Auswirkung wie Y-Tonnen CO2 in Atmosphäre. Und das ist eben für die Gase unterschiedlich. Was ist eigentlich deine Hintergrund?
48:21
Wie bist du an CO2-Messungen gekommen? Tatsächlich war ich neugierig im Spätsommer, als diese CO2-Ampelgeschichte in den Medien Traktion gewonnen hat.
48:40
Und habe dann angefangen zu gucken, was machen die eigentlich, wie funktionieren die Dinge eigentlich, kann das funktionieren, das ist irgendwie alles sehr komisch. Und mein Hintergrund ist, ich bin Diplomchemiker, habe dementsprechend eben auch so analytische Chemie und den ganzen Kram dahinter dann gelernt
49:03
und war sozusagen auch die Hintergründe hinter diesen Anregungen und Schwingungsspektroskopie hatte ich vorhin kurz eingeworfen das Wort. Das gehört halt alles ins Studium mit rein, aber es ist natürlich alles viel zu tief
49:21
für so einen Oberflächenvortrag. Aber das hat eben meine Neugierde geweckt und um dann nachzubohren, ok, was haben sich da tatsächlich die Hersteller einfallen lassen, um eben diese Messaufgaben zu lösen. Und die Sache ist ja auch, das muss man natürlich auch möglichst preisgünstig machen, weil so für eine CO2-Ampel,
49:43
ich glaube da kosten so die Sensoren, die also benutzt werden, so höchstens, weiß nicht, niedrig zweistellig oder so was, mittel zweistellig, und industrielle Sensoren, die halt auch genauer sind, die sind dann doch eher im dreistelligen Bereich und die wird wahrscheinlich den Maker nicht mal eben so kaufen.
50:02
Von daher ist das eben eine CO2-Ampel, die keiner bauen oder kaufen will, weil sie zu teuer ist. Es hat dann am Schluss natürlich auch keinen Wert mehr. Ja, ich vermute da sind auch noch ein paar Innovationen in Zukunft drin.
50:22
Ja, in die Zukunft, laut die Keeling-Curve, würden wir alle mit einer höheren CO2-Werte in Atmosphäre, also Umluft, mitleben. Kannst du schon was dazu sagen? Wie würde es zum Beispiel, wenn es 500 ppm in das Umluft ist?
50:43
Nee, kann ich in dem Rahmen nicht. Das ist also so Atmosphären, Umweltwissenschaften, das ist nochmal so ein ganzer Fachbereich für sich. Und wie tatsächlich
51:00
dann diese Auswirkungen sind mit diesen Kipppunkten und was dann alles passieren wird, ich glaube, das ist auch sehr, sehr schwer vorauszusagen. Ich habe gesehen im Fahrplan, für das RC3-Konferenzprogramm gibt es auch ein paar Vorträge, die sich in die Richtung beschäftigen. Da sind dann eher Leute aus der
51:22
Richtung gefragt. Und letztendlich, müsstest du, dass unser Publikum etwas tut? Ja, seid neugierig, hinterfragt Dinge,
51:40
baut Dinge, nervt eure Politiker. Also das ist tatsächlich eine Sache. So persönliche Anekdote, ich habe Politik lange, lange Zeit vermieden, weil ich dachte, das ist irgendwie alles so wischiwaschi und alles so schwierig und unverbindlich. Und so Wissenschaft und Technologie,
52:01
da hat man dann eine Methode, da hat man Messablauf, da hat man dann seine Daten und dann kriegt man eindeutige Antworten. Und eine Lektion dieses Jahres 2020 ist ja auch die Wissenschaft und auch Ingenieure und
52:26
Datenwissenschaftler haben alle möglichen Forschungen angestellt, nach Antworten gesucht, Antworten gefunden, haben die der Politik weitergegeben und da hakt's. Das heißt, diese politische Komponente
52:41
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
53:06
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 losstoßen.
53:23
Also einfach, einfach nicht nichts tun. Verstanden. Top. Ganz hessischen Dank nochmal Sebastian.