Ultraviolett

Roboter und andere Maschinen verwenden ein bestimmtes Spektrum ultravioletten Lichts, um Oberflächen zu sterilisieren, die möglicherweise mit dem Coronavirus kontaminiert sind. Diejenigen, die große Räume wie Krankenzimmer oder Flugzeugkabinen dekontaminieren müssen, verwenden große, stromhungrige Quecksilberlampen, um ultraviolettes C-Licht zu erzeugen. Unternehmen auf der ganzen Welt arbeiten daran, die Fähigkeiten von UV-C-produzierenden LEDs zu verbessern, um eine kompaktere und effizientere Alternative anzubieten. Anfang dieses Monats zeigte Seoul Viosys angeblich die erste 99,9-prozentige Sterilisation von SARS-COV-2, dem Coronavirus, das COVID-19 verursacht, mithilfe von ultravioletten LEDs.

UV-LEDs sind für Viren und Bakterien tödlich, da das C-Band mit einer Wellenlänge von 100–280 Nanometern genetisches Material zerstört. Leider wird es auch stark vom Stickstoff in der Luft absorbiert, sodass die Quellen stark sein müssen, um eine Wirkung aus der Ferne zu erzielen. (Luft ist eine so starke Barriere, dass die UV-C-Strahlung der Sonne nicht die Erdoberfläche erreicht.) In Zusammenarbeit mit Forschern der Korea University in Seoul zeigte das Unternehmen, dass seine Violed-LED-Module 99,9 Prozent des SARS-COV eliminieren können -2-Virus mit einer 30-Sekunden-Dosis aus einer Entfernung von drei Zentimetern.

Leider gab das Unternehmen nicht bekannt, wie viele seiner LEDs dafür verwendet wurden. Unter der Annahme, dass es und die Universitätsforscher ein einzelnes integriertes LED-Modul Violed CMD-FSC-CO1A verwendet hätten, hätte eine 30-Sekunden-Dosis höchstens 600 Millijoule Energie abgegeben. Dies entspricht einigermaßen den Erwartungen. Eine Studie zur Fähigkeit von UVC, Influenza-A-Viren auf N95-Atemschutzmasken abzutöten, ergab, dass etwa 1 Joule pro Quadratzentimeter ausreichen würden.

Während der 3-Zentimeter-Abstand in engen Räumen wie einem Luftfilter oder einem Wasserreiniger – Produkte, die bereits mit UV-LEDs ausgestattet sind – funktionieren kann, reicht er für Sterilisationsroboter in Krankenhauszimmern nicht aus. Der Flugzeugkabinensterilisator GermFalcon muss beispielsweise eine Flugzeugkabine in Licht tauchen, das stark genug ist, um das Virus in Sekundenschnelle aus einer Entfernung von etwa 30 Zentimetern abzutöten, sagte sein Erfinder Dr. Arthur Kreitenberg letzten Monat gegenüber IEEE Spectrum. Die heutigen UV-C-LEDs können für diese Aufgabe nicht genug Licht erzeugen, sagte er. Aber mit den Quecksilberlampen des GermFalcon, deren Leistung in Watt gemessen wird, ist diese Leistung mit hohen Energie- und Volumenkosten verbunden. Der Eisenphosphat-Akku des Systems muss 100 Ampere liefern, um die benötigte UV-Leistung zu erzeugen.

Zu den potenziellen Vorteilen von UV-C-LEDs gegenüber Quecksilberlampen gehören das Fehlen von giftigem Quecksilber, eine bessere Robustheit, eine längere Lebensdauer, ein schnellerer Start und die Emission bei einer Vielzahl von Wellenlängen, was ihre keimtötende Wirkung unterstützen kann. Am wichtigsten könnte jedoch ihr Effizienzpotenzial sein.

Derzeit haben Quecksilberlampen eine bessere Steckdoseneffizienz – elektrischer Stromeingang im Vergleich zu optischem Stromausgang – als die derzeit auf dem Markt erhältlichen UV-C-LEDs. Laut Jae-hak Jeong, technischer Forschungsstipendiat und Vizepräsident bei Seoul Semiconductor, der Muttergesellschaft von Seoul Viosys, beträgt der Steckdosenwirkungsgrad heutiger UV-C-LEDs nur 2,8 Prozent, wobei sich Systeme mit einem Wirkungsgrad von 3,3 Prozent in der Forschungs- und Entwicklungsphase befinden. Quecksilberlampen weisen einen Anteil von 15–35 Prozent auf.

Der Vorteil der Quecksilberlampe wird voraussichtlich nicht von Dauer sein, da Forscher erwarten, dass UV-C-LEDs einen ähnlichen Weg zur Effizienzsteigerung einschlagen werden wie die blauen LEDs von Festkörperbeleuchtungen. Allerdings haben UV-C-Geräte noch einen langen Weg vor sich. Blaue LEDs haben typischerweise eine interne Quanteneffizienz, den Anteil der in einen bestimmten Teil der LED injizierten Elektronen, der zur Erzeugung von Photonen führt – von etwa 90 Prozent. Bei UV-C sind es 30–40 Prozent, sagt Jeong. Für die externe Quanteneffizienz – das Verhältnis der emittierten Photonen zu den durch die LED fließenden Elektronen – ist der Vergleich noch schlechter. Etwa 70 Prozent bei blauen LEDs gegenüber 10–16 Prozent bei UV-C-Geräten.

Laut Jeong erfordert die Steigerung dieser Zahlen Verbesserungen sowohl beim Herstellungsprozess als auch bei der Epitaxie, dem Wachstum des Halbleiterkristalls, auf dem die LEDs hergestellt werden. Diese LEDs werden normalerweise durch Epitaxie hergestellt, um eine Schicht aus kristallinem Aluminiumnitrid auf einem Saphirwafer wachsen zu lassen. Defekte im Kristall sind ein wesentlicher Faktor, der die Leistung von LEDs beeinträchtigt. Daher ist die Verbesserung des Epitaxieprozesses ein Weg zu helleren LEDs.