Eine kostengünstige und sichere Methode, Trinkwasser lokal zu entkeimen, könnte den
Zugang zu sauberem Trinkwasser in vielen Regionen der Welt erleichtern. Eine
Forschergruppe am Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik
und der TU Berlin arbeitet daran, Wasser umweltfreundlicher und unkomplizierter als
bisher mit ultravioletten Leuchtdioden (UV-LEDs) zu desinfizieren. Die Bestrahlung mit
UV-Licht zerstört das Erbgut von Bakterien, Viren und Sporen und verhindert dadurch die
Vermehrung der Organismen. Insbesondere Licht im Wellenlängenbereich zwischen 200
und 300 Nanometern (nm) mit einem ausgeprägten Maximum bei circa 265 nm eignet
sich dafür. Die optimale Wellenlänge kann je nach Mikroorganismus leicht variieren. Nach
Untersuchungen an stehendem Wasser waren nun erste Tests mit langsam fließendem
Wasser erfolgreich. Die Arbeiten erfolgten in Zusammenarbeit mit dem Kompetenzzentrum
Wasser Berlin und wurden von der Europäischen Union im Rahmen des FP6
TECHNEAU Projekt und Veolia Water unterstützt.
Testreihen mit stehendem und fließendem Wasser
Das UV-Licht wird mit halbleiterbasierten InAlGaN-Leuchtdioden erzeugt. Durch die
Legierung von Galliumnitrid (GaN) mit Aluminiumnitrid (AlN) lassen sich deren Emissionswellenlängen
bis in den fernen UV-Bereich verschieben. So kann die Emissionswellenlänge
an die verschieden Zielorganismen angepasst werden.
Für erste statische Desinfektionstests haben die Wissenschaftler ein UV-LED-Modul mit
einer Emissionswellenlänge von 268 nm entwickelt. Deionisiertes Wasser, Leitungs- und
geklärtes Abwasser wurde mit Sporen des Bakteriums Bacillus Subtilis versetzt und mit
unterschiedlichen UV-C-Lichtdosen bestrahlt. Die anschließende Untersuchung zeigte,
dass die Bacillus-Subtilis-Sporen mit UV-C-LEDs mindestens so effizient deaktiviert
werden wie mit herkömmlichen Niederdruck-Quecksilberdampflampen.
Das kompaktere Modul der zweiten Generation nutzt UV-LEDs mit einer
Emissionswellenlänge bei 282 nm, die konzentrisch angeordnet sind. Zusätzlich ist es mit
einem Durchflussaufsatz ausgestattet, einem UV-reflektierenden Aluminiumblock, in den
schneckenförmig Wasserkanäle eingefräst sind. Nach einer UV-Bestrahlungsdosis von
400 J/m², das entspricht einer Zeit von knapp fünf Minuten, wurde damit die für die
Wasserentkeimung erforderliche Reduktion der Sporenanzahl um vier Größenordnungen
erreicht. Die Durchflusstests zeigten, dass die Inaktivierung der Bacillus-Subtilis-Sporen
etwas geringer ist als bei den statischen Tests. Dennoch konnte die erforderliche Reduktion
der Sporen um drei Größenordnungen bei Durchflussraten von knapp 11 ml/min.
erreicht werden. Die generelle Eignung von UV-C-LEDs im Bereich der Wasserdesinfektion
wurde somit für kleine Wassermengen nachgewiesen.
Die Wissenschaftler arbeiten nun daran, die Leistungen und die Effizienzen der UV-LEDs
zu steigern. Derzeit liegen die Effizienzen noch bei wenigen Prozent und die Ausgangsleistungen
im Milliwatt-Bereich. Gelingt dies, stünde künftig eine vielversprechende
Alternative zu herkömmlichen Quecksilberdampflampen zur Verfügung. UV-LEDs
benötigen keine Aufwärmphase, sind langlebig, sehr kompakt und nicht giftig. Sie können
außerdem mit geringen Gleichspannungen betrieben werden, sodass sie ohne größeren
Aufwand in autarken, solarbetriebenen Anlagen einsetzbar sind. Damit wären komplett
neue Lösungen zur Trinkwasserentkeimung möglich, die sowohl in Flugzeugen zur
mobilen Wasseraufbereitung eingesetzt werden könnten, als auch in Regionen, die
bislang von der Versorgung mit sauberem Wasser abgeschnitten sind.
Weitere Informationen
Petra Immerz, M.A.
Referentin Kommunikation & Public Relations
Ferdinand-Braun-Institut
Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik
Gustav-Kirchhoff-Straße 4
12489 Berlin
Hintergrundinformationen – das FBH
Das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) ist eines der weltweit
führenden Institute für anwendungsorientierte und industrienahe Forschung in der Mikrowellentechnik
und Optoelektronik. Es erforscht elektronische und optische Komponenten, Module
und Systeme auf der Basis von Verbindungshalbleitern. Diese sind Schlüsselbausteine für Innovationen
in den gesellschaftlichen Bedarfsfeldern Kommunikation, Energie, Gesundheit und
Mobilität. Leistungsstarke und hochbrillante Diodenlaser, UV-Leuchtdioden und hybride Lasersysteme
entwickelt das Institut vom sichtbaren bis zum ultravioletten Spektralbereich. Die Anwendungsfelder
reichen von der Medizintechnik, Präzisionsmesstechnik und Sensorik bis hin zur
optischen Satellitenkommunikation. In der Mikrowellentechnik realisiert das FBH hocheffiziente,
multifunktionale Verstärker und Schaltungen, unter anderem für energieeffiziente Mobilfunksysteme
und Komponenten zur Erhöhung der Kfz-Fahrsicherheit. Kompakte atmosphärische
Mikrowellenplasmaquellen mit Niederspannungsversorgung entwickelt es für medizinische
Anwendungen, etwa zur Behandlung von Hauterkrankungen. Die enge Zusammenarbeit des FBH
mit Industriepartnern und Forschungseinrichtungen garantiert die schnelle Umsetzung der Ergebnisse
in praktische Anwendungen. Das Institut beschäftigt 230 Mitarbeiter und hat einen Etat von
21 Millionen Euro. Es gehört zum Forschungsverbund Berlin e.V. und ist Mitglied der Leibniz-
Gemeinschaft.
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