Ein intelligentes Luftdesinfektionssystem

Jaro Filip, Maximilian Pfannkuch, Dominik Hein

Eine neue Entwicklung der Halbleiterindustrie ermöglicht es nun UVC-Licht mithilfe von LEDs zu erzeugen. Die Vorteile dabei sind, dass diese LEDs nicht nur langlebiger, sondern auch kleiner, kompakter und energieeffizienter sind, da nur die essenzielle Wellenlänge emittiert wird.

Mithilfe von quantitativen mikrobiologischen Versuchsreihen konnten wir die Effektivität von UVC LEDs bestätigen. Durch diese Erkenntnisse haben wir einen Prototyp gebaut, welcher im mechanischen Aufbau so optimiert wurde, um eine hohe Funktion und Effizienz gewährleisten zu können.

Dieser Prototyp überzeugt durch Kompaktheit und Portabilität sowie durch fortgeschrittene Software. Diese kann Raumfrequentierung analysieren sowie das Gerät intelligent steuern. Eingebettet sind die Funktionen in einer benutzerfreundlichen und Plattform unabhängigen App.

A new development in the semiconductor industry now makes it possible to generate UVC light using LEDs. The advantages are, that these LEDs are not only more durable, but also smaller, more compact and more energy efficient, since only the essential wavelength is emitted.

Englisch:

With the help of quantitative microbiological test series, we were able to confirm the effectiveness of UVC LEDs.

Based on these results, we have built a prototype, which has been optimized in its mechanical design, to ensure high functionality and efficiency. This prototype convinces by compactness and portability as well as by advanced software.

This software can analyze room frequency and control the device intelligently. The functions are embedded in a user-friendly and platform-independent app.

Projektidee

Um gefährliche infektiöse Aerosole möglichst effizient und gleichzeitig komfortabel aus der Luft entfernen zu können, haben wir ein Konzept entwickelt, das es ermöglicht eine Desinfektionseinheit zu bereits bestehenden Lüftungssystemen hinzuzufügen. Diese Erweiterung kann dann mithilfe
fortgeschrittener Technologien die durchströmende Luft desinfizieren und so saubere Luft in Gebäuden gewährleisten, ohne einen Luftaustausch nötig zu haben welcher die Emission von Pathogenen mit sich bringt. Die Einsatzmöglichkeiten sind sehr vielfältig, besonders wichtig wären solche Systeme beispielsweise in Supermärkten, Einkaufszentren, Schulen oder öffentlichen Verkehrsmitteln und Bahnhöfen.

Was ist UVC-Licht?

Ultraviolettes Licht ist elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich von 100 nm bis 380 nm. Dieser Bereich ist der kurzwellige Teil des optischen Spektralbereichs. Da die Wellenlängen des UV-Lichts kürzer als die Wellenlängen des sichtbaren violetten Lichts sind, sind sie für das menschliche Auge unsichtbar. Aufgrund der Zuordnung zur optischen Strahlung wird allgemein der Begriff „UV-Licht“ verwendet. Wie das Licht anderer Wellenlängen kann UV-Licht gebrochen, gebeugt, reflektiert und absorbiert werden. Der UV-Bereich wird in die drei Klassen UV-A, UV-B und UV-C unterteilt, die jeweils unterschiedliche biologische Wirkungen und technologische Anwendungsbereiche haben. Der Bereich von 200-280nm wird als UVC bezeichnet und als kurze UV-Wellenlängen betrachtet.

Wie zerstört man mit UVC-Licht gefährliche Viren und Keime?

Besonders Viren wie SARS-CoV-2 haben nur eine dünne Lipid-Schicht, die vom UVC-Licht leicht durchdrungen wird. Die Photonen erreichen die Erbinformation der Viren, die RNA, und sorgen dafür, dass dort so genannte Dimere gebildet werden. Das funktioniert in der RNA von Viren genauso wie in der DNA von anderen Keimen. Dimere in der Erbinformation machen eine Vervielfältigung der Keime unmöglich und damit sind beispielsweise Corona-Viren nicht mehr infektiös. Man nennt das „Inaktivierung“.

Bau des revolutionAIR Prototypen

Damit das Luftreinigungssystem möglich effizient und langlebig ist, muss es auf seine Umwelt und Umgebung reagieren können. Hierbei ist der wichtigste Punkt die Sensorik, da diese der Schnittpunkt von der realen Umgebung zur digitalen Steuerung des Luftreinigungssystems ist.

Wozu braucht man so viel Sensorik?

Das Luftreinigungssystem soll effizient und langlebig sein daher ist die Sensorik dafür zuständig, dass ein möglichst geringer Stromverbrauch und eine möglichst geringe Materialabnutzung erzielt wird. Um einen niedrigeren Stromverbrauch zu erreichen muss sich das Luftreinigungsgerät bei keinem Gebrauch ausschalten oder bei nur geringer Nutzung die Leistung verringern. Des Weiteren ist es auch wichtig, dass keine hohen Leistungspeaks entstehen, da sich dadurch der Wirkungsgrad verringert und dies ineffizienter ist. Außerdem muss man natürlich auch darauf achten, dass die verbauten Teile einen niedrigen Stromverbrauch haben. Für eine maximale Langlebigkeit ist es auch wichtig, dass das Luftreinigungsgerät nicht länger als nötig läuft. Hierbei ist es besonders wichtig, dass keine hohen Leistungspeaks entstehen, da bei LEDs bei einer Zunahme von nur 10°C die Lebensdauer der LEDs um 50% reduziert wird.

KI zur bestmöglichen Effizienz

Dafür benutzen wir wieder künstliche Intelligenz beziehungsweise Machine Learning, um Muster zu erkennen, zu kategorisieren und zu strukturieren. Damit könnten wir vorhersehbare Muster wie hohe Nutzung der Pause effektiv vorhersagen. Da wir die Zuordnung Zeit in WD HH:MM und Nutzung in Personen (bei der AP Variante in Clients) haben, nutzen wir Pattern Recognition Algorithmus im zweidimensionalen Merkmals Raum. Um den
Pattern Recognition Algorithmus zu trainieren benötigen wir zunächst möglichst viele Auswertungen der Raumnutzung. Diese Informationen können wir dann zum Training der KI nutzen. Die Log Daten beinhalten Wochentag und den dazugehörigen Wert der Nutzung. Dadurch können wir durch das Dauerhafte Farmen der Daten gleichzeitig unsere KI trainieren. Durch die deutlich abstrakten Daten und die geringe Komplexität wird die KI nach etwa vier Wochensätze höchst wahrscheinlich schon gut verwertbare Daten
liefern.

Um die KI-Daten effektiv nutzen zu können und das Nutzererlebnis zu steigern haben wir unseren Prototyp an das Internet abgebunden, sodass Prototyp, Server, Pi-Cam und Endgeräte problemlos miteinander kommunizieren können. Der revolutionAIR Prototyp übermittelt Informationen, wie Helligkeit der LEDs, Lüftergeschwindigkeit, Temperatur oder die Anzahl der Personen im Raum an den Server, der diese dann in einer Datenbank abspeichert und an potenzielle Endgeräte weiter verteilt, wie beispielsweise einer Smartphone-App. Der Nutzer ist dann in der Lage nicht nur LED-Helligkeit und Lüftergeschwindigkeit bequem über sein Smartphone zu regulieren, sondern auch live Messwerte, wie Temperatur oder Stromverbrauch einzusehen.

Zusammenfassung – Fazit

[Revolution AIR] – Entwicklung eines effizienten Luftreinigungssystems auf Basis von UV-LEDs, ist das Thema dieser Projektarbeit. Begonnen hat es mit der Einstellung eine Marktneuheit zu schaffen. Diese Einstellung legte sich schnell, als nach ein paar Monaten Forschung die ersten Artikel zu ähnlichen
Geräten veröffentlicht wurden. Zuerst war die Enttäuschung groß, doch dann entwickelte sich als neues Ziel, effizienter, besser und intelligentere Systeme zu bauen als die bisherigen. Zur Startphase mussten Leuchtmittel verglichen und analysiert werden. Da ein weiteres Ziel war, kostengünstig zu bleiben, entschieden wir uns für LEDs chinesischer Herkunft. Um diese zu analysieren
zu können führten wir einige mikrobiologischen Tests durch, um die Effizienz der Leuchtmittel zu bestimmen, ohne sich auf unvollständige Datenblätter verlassen zu müssen. Hierbei stellten wir die Unterschiede der LEDs fest und konnten so die passende LED auswählen. In unseren Untersuchungen
haben wir bestimmt, wie die Anzahl der LEDs für eine Luftdesinfektionseinheit zu wählen ist. Nach sichern der Grundlageninfos widmeten wir uns dem Bau des eigentlichen Gerätes. Mit Hilfe von Pattern Recognition und Machine Learning, konnten wir ein intelligentes System entwickeln, welches
das Nutzungsverhalten der Menschen erkennt und die Einstellungen des Gerätes optimal anpasst. Aufgrund eines effizienten Designs konnten wir die Bestrahlungsdauer im Gerät verlängern, ohne eine Vergrößerung des Gerätes oder der Unterbrechung des Luftstromes. Durch die gesammelten Daten
der mikrobiologischen Tests und des mechanischen Aufbaus, konnten weitere Experimente durchgeführt werden, welche weitere Informationen zur Platzierung und Aufbau des Geräts generierte. Durch das Gesamtpaket an gelerntem Wissen und generierten Daten, welche so nur in einer interdisziplinären Arbeit zustande kommen, konnten wir einen Prototyp bauen. Dieser kann in Bussen eingebaut werden oder die Schüler in den Schulen im Winter vor dem Frieren bewahren. Diese beiden Anwendungsfälle sind nur ein winziger Einblick in die Möglichkeiten der UVC-LED Technik und wir sind weiterhin begeistert mit und an ihr zu forschen und entwickeln.

Auszeichnungen

  • Jugend forscht Bundeswettbewerb 2022
    • Bundessieg – Preis für die beste interdisziplinäre Arbeit (Bundesministerin für Bildung und Forschung Anja Karliczek, MdB)
  • Jugend forscht Landeswettbewerb Hessen 2022
    • Landessieg für das beste interdisziplinäre Projekt
  • Jugend forscht Regionalwettbewerb Rhein-Main Ost 2022
    • Erster Platz in der in der Kategorie „Arbeitswelt“
  • Europäischer Wettbewerb 2021
    • Landespreis zweiter Kategorie
  • VDI Bezirksverein Frankfurt-Darmstadt Schülerforum 2021: 
    • Zweiter Platz in Sekundarstufe 2 
    • Sonderpreise für Grundlagenforschung und Wirtschaftlichkeit
  • Jugend forscht Landeswettbewerb Hessen 2021:
    • Zweiter Platz im Fachgebiet Technik
  • Jugend forscht Regionalwettbewerb Rhein-Main Ost 2021: 
    • Sonderpreis für das beste Interdisziplinäre Projekt
    • Sonderpreis “Ressourcenschonung und Ressourceneffiziens BillRess-Netzwerk”