Pictures of the Future Herbst 2008
Nachhaltige Gebäudetechnik – Intelligente Sensoren
Wohlfühlklima in den Büroetagen
Sensoren sollen die Sinnesorgane von Gebäuden werden. Wissenschaftler von Siemens arbeiten daran, viele Funktionen auf einem winzigen Chip zu vereinen.
Erfolgreiche Zukunft: Lange galten Sensoren für die Gebäudetechnik als zu teuer. Doch die Forschung macht die Winzlinge kleiner, günstiger und flexibel einsetzbar – etwa zur CO2-Messung (unten)
Wenn der Physiker Rainer Strzoda morgens seine Arbeitsräume im Labortrakt von Siemens Corporate Technology in München betritt, reicht ein Blick auf ein kleines Gerät an der Wand und er weiß, ob die Klimaanlage gut funktioniert: Um die 400 ppm CO2 misst der laseroptische Sensor, ein Prototyp, den die Wissenschaftler entwickelt haben. "Ein guter Wert, denn etwa 380 ppm CO2 hat derzeit unsere Atmosphäre, der Raum enthält also kaum zusätzliches Kohlendioxid", stellt der Forscher fest. Wenn er und seine Kollegen den ganzen Tag auf Hochtouren an ihren Erfindungen tüfteln und miteinander diskutieren, steigt der CO2-Wert langsam auf 600 bis 700 ppm an – nur dadurch, dass die Experten CO2 ausatmen.
Strzoda und seine Kollegen haben es gut. In unzähligen Büro- und Sitzungsräumen rund um den Globus herrschen dagegen Werte von über 1000 ppm CO2. Das ist der Grenzwert, ab dem Menschen müde und unkonzentriert werden und sich unwohl fühlen. Aber in den meisten Gebäuden gibt es keine Sensoren, die das messen. Das wird sich bald ändern, ist Dr. Maximilian Fleischer überzeugt. Er leitet die Forschergruppe, zu der auch Rainer Strzoda gehört, und die Erfindungen dieses Teams rund um Sensoren haben zu vielen neuen Siemens-Produkten geführt. Allein Maximilian Fleischer hält etwa 150 Patente – er ist einer der produktivsten Erfinder von Siemens (Pictures of the Future, Herbst 2004, Gas-Sensoren und Herbst 2006, Innovatoren – Fleischer).
Sensoren für Licht oder Temperatur sind bereits heute weit verbreitet. Doch Gassensoren – also mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS) aus Chips auf Siliziumbasis und einer oxidierenden Schicht – sind eine relativ junge Erfindung, und die oben erwähnten laseroptischen Sensoren stehen sogar noch ganz am Anfang einer Entwicklung zu marktreifen Produkten. Fleischers Galliumoxid-Sensor dagegen, der den Durchbruch in seiner Forscherkarriere darstellte, misst seit einigen Jahren in Zigtausenden von Kleinfeuerungsanlagen den CO-Gehalt im Abgas, wodurch sie optimal energiesparend und emissionsarm betrieben werden können.
Kurz vor der Produktionsreife steht auch ein Sensor aus den Siemens-Labors zur Messung des Alkoholgehalts im Atem. Schweden möchte als erstes Land einen solchen genau messenden Sensor mit einer Wegfahrsperre kombinieren und damit alkoholisierte Autofahrer vermeiden. Diese von Siemens dafür Fall lizenzierte Technologie kann auch in Zügen, Straßenbahnen und beim Betreiben gefährlicher Maschinen verwendet werden.
Clevere Geldsparer. Doch in Gebäuden kamen Sensoren bisher kaum zum Einsatz: Zu teuer, zu aufwändig zu installieren und zu unterhalten. Erst mit den aktuellen Forschungen an Sensorchips – winzigen Siliziumbauteilen, ausgestattet mit eigener Energiequelle und Funkmodulen – beginnen Gebäudebetreiber Interesse zu zeigen. Sie ahnen, dass clever eingesetzte Sensoren ihnen viel Geld sparen könnten. Studien der Intechno Consulting schätzen den Weltmarkt für Gassensor-Systeme für das Jahr 2010 auf 2,9 Mrd. € im Jahr.
Auf dem Prüfstand: Kerstin Wiesner testet die Sensitivität von Gassensoren, eine der Sensorenarten, an denen die Abteilung von Maximilian Fleischer (rechts) forscht. Unten: Temperung von Metallschichten
Bei allen Szenarien, wie die Gebäude der Zukunft aussehen werden, spielen Sensoren eine Schlüsselrolle: "Häuser werden nicht mehr leere Hüllen sein, sondern intelligente Systeme, die mit ihren Nutzern kommunizieren", ist Dr. Osman Ahmed überzeugt. Er leitet in Buffalo Grove, USA, das Team von Siemens Buildung Technologies für Gebäudeinnovationen. Wenn Sensorchips günstig produziert werden können, wird es rentabel, sie zu Tausenden in einer feinmaschigen Infrastruktur im ganzen Gebäude zu verteilen. "Mit Sensoren können wir die Natur imitieren", so Ahmed. So wie Sinne und Nervenbahnen das menschliche Gehirn ununterbrochen mit Informationen versorgen, damit es die besten Entscheidungen treffen kann, so werden die Prozessoren des Gebäudeleitsystems der Zukunft die Informationen von Tausenden von Sensoren empfangen, verarbeiten und dann Befehle an eine Vielzahl von Subsystemen geben. Kombiniert mit Informationen über die Nutzer wird die Gebäudetechnik viele neue Aufgaben und Dienste übernehmen. Die Nutzer des Gebäudes könnten das Gebäudesystem darüber informieren, wann sie eintreffen, welche Sicherheitsmechanismen greifen und welche Räume gelüftet werden müssen. Das Leitsystem wird dank der Sensoren wissen, wo Wasserspülungen defekt, ätzende Substanzen ausgelaufen und Menschenansammlungen sind.
Detektiv auf Gassuche. Im Labor von Maximilian Fleischer entstehen bereits Sensoren, die die Luftqualität in Gebäuden kontrollieren können. "Dazu muss der Sensorchip mindestens vier Werte messen: Temperatur und Luftfeuchtigkeit sowie Gase, also etwa CO2 und Gerüche", erklärt er. Dazu probieren die Forscher aus, welche Detektionstoffe am besten mit den gesuchten Gasen reagieren. In einer Anlage zur Kathodenzerstäubung, in der das Plasma geheimnisvoll blau leuchtet, erzeugen sie Millionstel Meter dünne Schichten. Nebenan erfüllt eine kleine Anlage in einer Art Siebdruckverfahren den gleichen Zweck. Je nach Material ist die eine oder andere Methode besser geeignet. Die so produzierten winzigen Oxidationsflächen platzieren die Forscher in den gewünschten Kombinationen – beispielsweise Bariumtitanat-Kupferoxid-Mischoxid für CO2 und Galliumoxid mit fein verteiltem Platin für Gerüche – nebeneinander auf Feldeffekttransistoren (FET) in einem Chip. Anders als bei Chips, die nur einen Stoff detektieren können, docken die gesuchten Stoffe nicht an der Sensoroberfläche an, sondern strömen wie bei einem Tunnel zwischen einer Molekülfängerschicht und der FET-Struktur durch. Dort verändern sie den elektrischen Widerstand, was der Chip ausliest und in Signale umwandelt. Mit einem Funkmodul kann der Chip die Daten drahtlos an das Leitsystem der Gebäudetechnik weitergeben.
Auch wenn die Vorstellungen von Osman Ahmed über Gebäude der Zukunft noch sehr visionär erscheinen, sind die ersten Schritte in diese Richtung bereits gemacht: "Der Bedarf nach Komfort nimmt zu", stellt Andreas Haas, System Engineering Manager von Siemens Building Technologies in der Schweiz fest. Er sieht eine ähnliche Entwicklung wie bei Automobilen voraus, wo Klimaanlagen, teilweise sogar in Verbindung mit Luftgütesensoren, mittlerweile zum Standard geworden sind. Den Gebäudebetreiber interessiert aber primär das Einsparpotenzial. Durch gute Isolation und Verglasung sinkt der Energieverbrauch, was aber mit einer teuren Renovierung der ganzen Gebäudehülle verbunden ist. Durch den Einsatz von modernster Gebäudeautomation lässt sich mit deutlich weniger Aufwand ebenfalls signifikant Energie einsparen. Präzise Raumklimasensoren, Luftgüte- und Präsenzsensoren in Verbindung mit optimierter Regelungstechnik kann bis zu 30 % des Energieverbrauchs für Heizung, Lüftung, Klimatisierung und Beleuchtung einsparen gegenüber einem Gebäude mit konventioneller Steuer- und Regeltechnik, schätzt Haas.
Auch Gerüche gehören zum Wohlfühlklima. "Wenn Räume muffig riechen, kann die Luft mit Ozon gereinigt werden", sagt Fleischer. Denn Ozon verbindet sich mit den Geruchsmolekülen und neutralisiert sie, indem es sie aufspaltet. In den Labors von Siemens entwickeln die Forscher deshalb Gassensoren, die typische Raumgerüche erkennen. An einem Gasmessplatz stellen sie aus 18 verschiedenen Gasen wie Ethan, Propen oder Aceton, Modell-Gerüche her. Hexanal dient beispielsweise dazu, um den Geruch muffiger Teppichböden zu testen. Zurzeit arbeiten die Wissenschaftler von Siemens daran, langlebige Geruchssensoren zu entwickeln. "So ein Geruchssensor muss mindestens zehn Jahre lang funktionieren, um für den Markt interessant zu sein", erklärt Maximilian Fleischer. Melden die Sensoren dem Leitsystem, dass die Luft schlecht riecht, gibt dieses den Befehl zur Freisetzung von Ozon. Die Ozonkonzentration kann wiederum mit einem Sensor überprüft werden, um Nebenwirkungen wie die Reizung der Atemwege zu vermeiden.
Bio-Sensor: Rebekka Kubisch misst im Labor die Ansäuerung, Impedanz und Atmungsrate der Zellsensoren (links). Messgenie: Im Gegensatz zu ihren chemischen Pendants reagieren Sensoren mit Zellkulturen auf alle Gifte (rechts)
Eine weitere Herausforderung bei der Entwicklung von Gassensoren sind die großen Querempfindlichkeiten. Das Detektiermaterial auf dem Chip darf nur mit dem gesuchten Stoff reagieren, sonst produziert der Detektor permanent Fehlalarme. Dies gilt vor allem für Brandmelder. Konventionelle Brandmelder reagieren optisch auf Rauchschwaden. "Menschen in der Nähe des Brandherdes können dann aber bereits giftige Gase eingeatmet haben", betont Fleischer. Detektoren für typische Brandgase, die lange vor der Rauchentwicklung Alarm auslösen, stehen deshalb auf der Wunschliste der Gebäudebetreiber ganz oben, vor allem kombiniert mit Sensoren für bedarfsgerechte Klimatisierung.
Universal-Genies. Parallel zu Sensorchips tüfteln die Siemens Wissenschaftler an weiteren Sensorarten: Laseroptische Sensoren können aus der Entfernung messen, an welcher Stelle des Raumes ein Gas konzentriert ist. Ein paar Räume weiter hantiert die Doktorandin Rebekka Kubisch mit Gefäßen voll roter Flüssigkeit. Darin züchtet sie Zellkulturen für "lebende" Sensoren, beispielsweise um die Wasserqualität zu bestimmen. "Ich montiere diese Zellen auf Chips und setze sie dann Giften aus, um zu sehen, zu welchen Reaktionen dies führt", erklärt die junge Biologin. Zurzeit untersucht sie, wie Skelettmuskelzellen von Ratten auf verschiedene Abwasserproben reagieren. Der Vorteil gegenüber chemischen Sensoren: Lebende Zellen reagieren auf alle Gifte, während man bei chemischen Sensoren vorher wissen muss, auf welche schädliche Substanz man testen will.
Solche lebenden Sensoren könnten vor allem in Green Buildings eingesetzt werden. In diesen umweltfreundlichen Gebäuden setzen die Betreiber auf möglichst geschlossene Kreisläufe beispielsweise bei Wasser und Luft, um Energie zu sparen. "Da sind hoch sensible Frühwarnsysteme besonders wichtig", betont Fleischer. Osman Ahmed geht noch viel weiter: "Eines Tages werden wir Gebäude haben, die keine Energiezufuhr von außen benötigen. Dafür benötigen wir viele clevere Produkte. Multifunktionelle Sensoren sind ein wichtiges Puzzleteil in diesem Plan." Die Wissenschaftler in den Labors von Siemens haben bereits viel geleistet, um dieser Vision einen Schritt näher zu kommen.
Katrin Nikolaus
Metalloxide, Laser oder Zellen
Sensoren auf Mikrochips, auch mikroelektromechanische Systeme (MEMS) genannt, können chemische Stoffe – etwa in Verbrennungsgasen oder bei industriellen Prozessen – detektieren (Bild links). Ein Funktionsprinzip von MEMS sind beispielsweise halbleitende Metalloxide, die als dünne Filmschicht auf den Chip aufgebracht werden. Der elektrische Widerstand ändert sich durch das andockende Gas, und dieses Signal liest der Prozessor des Chips aus. Mittlerweile gelingt es den Siemens-Wissenschaftlern, verschiedene gassensitive Rezeptoren auf einem Chip zu platzieren, um mehrere Gase gleichzeitig messen zu können.
Laseroptische Gassensoren schicken ihren Laserstrahl durch den Bereich, der auf ein bestimmtes Gas durchsucht werden soll. Das können Brennkessel sein oder der Verlauf von Leitungen, wenn Verdacht auf eine Leckage besteht. Für jede Gasart gibt es Laserdioden, die sich besonders gut zur Detektion eignen, weil sie das Spektrum abdecken, in dem diese Gasart absorbiert. Sobald der Laserstrahl auf eine Fläche trifft, wird er reflektiert und von einer Fotodiode aufgefangen. Dabei wird das Licht des Lasers, das die Gaswolke durchschneidet, stärker absorbiert als neben der Gaswolke – was die Fotodiode messen kann. Am kostengünstigsten sind Laserdioden zur Detektion von Sauerstoff. Daher ist der Einsatz solcher Sensoren im industriellen Bereich am weitesten fortgeschritten. Laseroptische Gasanalysatoren von Siemens werden derzeit zudem zur Überwachung von Kraftwerksabgasen eingesetzt. Auf Hochtouren arbeiten die Wissenschaftler auch an einem laseroptischen Gassensor zur Branderkennung. Mit einer von der TU München entwickelten Laserdiode zur Detektion des Brandleitgases Kohlenmonoxid hat der Siemens-Forscher Rainer Strzoda einen Prototyp entwickelt, der derzeit getestet wird.
Bei lebenden Sensoren fungieren lebende Zellen als Indikationsmittel für Schadstoffe. Dafür eignen sich etwa Skelettmuskelzellen von Ratten oder menschliche Leberzellen. Die Zellen werden im Brutschrank kultiviert und dann mit einem Nährmedium auf einen Siliziumchip aufgebracht. Dort haften sie an der Oberfläche an. In einem Gerät der Start-up-Firma Bionas wird der Chip einem Strom von schadstoffhaltigem Wasser ausgesetzt. Der Prozessor liest permanent mehrere Messgrößen der Zellen aus und übermittelt sie an einen Computer: Gemessen werden die Zellatmung, das heißt der Sauerstoffgehalt der Zellen, die Ansäuerung des Nährmediums durch den Stoffwechsel der Zelle und die Impedanz der Zellen, also ihre Anhaftung auf dem Chip, sowie die Anzahl der Zellen und ihre Form. Schadstoffe verändern einen oder mehrere dieser Parameter. Ein Ziel der Forschung ist es nun, die Lebensdauer dieser Sensoren von einigen Tagen auf einige Monate zu erhöhen.