Optische Technologien im Brandschutz

Stille Gefahr

Im Jahr 2019 waren rund 90 % der brandbedingten Todesfälle und Verletzungen in den USA auf Feuer in Häusern oder Wohnungen zurückzuführen.  In der EU gibt es zu diesem Thema keine offiziellen Statistiken; Schätzungen der European Fire Safety Alliance gehen aber ebenfalls von etwa 80 % aus.  Die Menschen sterben dabei meist nicht durch die Flammen, sondern durch den Rauch. Je nachdem welches Material brennt und wie heiß es dabei wird, besteht dieser aus verschiedenen Gasen. Alle davon sind lebensgefährlich – jedes auf seine Art.
Die häufigsten und tödlichsten Bestandteile sind die so genannten toxischen Gase wie Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO₂) oder Blausäure (HCN). Sie beeinträchtigen die Atmung auf unterschiedliche Weise: Kohlendioxid ist allgemein als „Abfallprodukt“ bekannt, das beim Ausatmen freigesetzt wird. Das Problem ist, dass bei höheren CO₂-Konzentrationen der gesamte Stoffwechsel aus dem Gleichgewicht gerät. Wenn die eingeatmete Luft mehr als 10 % CO₂ enthält, ist man in weniger als einer Minute tot.
Kohlenmonoxid ist ebenso tödlich, aber auf eine andere Art: Seine Moleküle heften sich an das Hämoglobin der roten Blutkörperchen. Dieser Stoff ist für den Sauerstofftransport zu den Zellen zuständig. Die Zellen erhalten nicht mehr genug lebenswichtigen Sauerstoff und der Körper erstickt. Das Gefährlichste an CO ist, dass es weder einen Geruch noch einen Geschmack hat. Es tötet ohne Warnung.

Wird Zyanid über Atmung oder Haut aufgenommen, verursacht es sehr schnell Atembeschwerden. Wie Kohlenmonoxid beeinträchtigt es den Stoffwechsel - allerdings, indem es die Energieproduktion in den Zellen verhindert. Tatsächlich ersticken die meisten Opfer im Schlaf, bevor sie den Brand überhaupt bemerken.

An dieser Stelle kommen Rauchmelder ins Spiel: Sobald sie eine potenziell gefährliche Menge an Rauch erkennen, lösen sie einen Alarm aus und sorgen dafür, dass die Bewohner aufwachen.

IR-Detektoren retten Leben

Die meisten Rauchmelder nutzen optische Technologien. Das Konzept ist ebenso einfach wie effektiv. Es verwendet eine Lichtquelle - meist eine Infrarot-LED oder eine Laserdiode -, kleine Spiegel und eine Photodiode: Der Lichtstrahl, den die LED kontinuierlich aussendet, wird durch ein dunkles Gehäuse geleitet. Dabei sorgen die Spiegel dafür, dass er nicht auf den Detektor trifft. Sobald Rauch in das Gehäuse eindringt, wird das Licht gestreut, sodass es die Photodiode erreicht und den Alarm auslöst. Selbstverständlich muss dabei ein gewisser Spielraum vorhanden sein: Schließlich soll der Alarm nicht jedes Mal ausgelöst werden, wenn man eine Kerze anzündet. Andererseits soll das System zuverlässig funktionieren, wenn diese Kerze auf den Boden fällt und den Teppich in Brand setzt. Für Heimanwendungen werden zumeist einfache IR-Strahler und handelsübliche Fotodioden verwendet, während die hochpreisigen industriellen Anwendungen auf eine empfindlichere Kombination aus helleren (Laser-)Lichtquellen und „professionelleren“ Sensoren setzen.

Egal ob im Haushalt oder im Unternehmen – bei allen Rauchmeldern muss der Rauch physisch an den Detektor gelangen. Auf dem Weg dorthin vergeht wertvolle Zeit und die Bewegungsrichtung des Rauchs hängt von zahlreichen äußeren Einflüssen ab. Ein kleiner Windstoß kann hier vieles ändern. Optische Flammenmelder dagegen arbeiten berührungslos, schnell und aus der Entfernung. Ihre IR-Sensoren reagieren auf das Flackern von Flammen oder Funken. Ein Algorithmus analysiert, ob diese den Mustern entsprechen, die bei Feuern auftreten. So sind sie zum Beispiel auch in der Lage, Funken durch Fensterscheiben, Rauchschwaden oder dichten Nebel hindurch zu erkennen. Funkenerkennung ist vor allem dort wichtig, wo explosive Stäube in der Luft liegen – also in der Holzverarbeitung, der Getreideverarbeitung oder in Zementwerken. Hier heißt es, schnell zu reagieren und die Funken möglichst noch im Flug zu löschen, sodass sie keinen weiteren Schaden anrichten können. Bei diesen Sensoren dominieren Quantendetektoren (PbS, x-InGaAs).

Ein weiteres Verfahren in industriellen Anwendungen ist die Flammenerkennung. In diesem Umfeld entstehen viele Feuer durch die Verbrennung von Kohlenwasserstoffverbindungen. Solche Brände breiten sich oft weiter aus, als die sichtbaren Flammen vermuten lassen. Mit pyroelektrischen Detektoren kann man ihr wirkliches Ausmaß ermitteln. Diese Sensortechnologie erkennt die Verbrennungsprodukte wie CO₂, indem sie die Lichtemission bei bestimmten Wellenlängen misst. Bei heißen Temperaturen emittieren Gase dieselbe Wellenlänge des Lichts, die sie sonst auch absorbieren. So ist es möglich, die Art des Gases im Sichtfeld des Detektors eindeutig zu bestimmen. Pyroelektrische Detektoren werden immer in Kombination mit Infrarotfiltern verwendet, die das „Umgebungsrauschen“ ausblenden, das durch Sonnenstrahlung oder durch das CO₂ der Atmosphäre erzeugt wird. Zur multispektralen Erfassung der IR-Strahlung von Flammen wird meist eine Mehrfachkombination aus drei oder mehr Detektor-/Filterpaaren eingesetzt.

All diese Anlagen arbeiten schnell und äußerst präzise, denn in der Industrie kann man sich keine Fehlalarme leisten. Werden Sprinkleranlagen oder andere Löschsysteme auch nur ein einziges Mal fehlerhaft ausgelöst, kann das ebenso verheerende Folgen haben wie ein Brand.

Intelligente Lösungen gehen einen Schritt weiter

Bisher wurde der Rauchmelder bei Standardlösungen entweder mit einem Wärme- oder mit einem Kohlenmonoxidsensor kombiniert. DEF, ein französischer Anbieter von Brandschutzlösungen und -dienstleistungen hat kürzlich ein intelligentes, vernetztes Gerät entwickelt, das erstmals alle drei Technologien vereint. Die Premium-Version ist lernfähig: Die Signale der verschiedenen Sensortechnologien werden erfasst und der Alarmkontext analysiert. Ein Algorithmus wertet die letzten 100 Ereignisse aus. So kann das System die Art des Feuers genauer bestimmen und die Empfindlichkeit der Sensoren anpassen. Brände werden früher erkannt und Fehlalarme vermieden.

Die ersten dieser Multifunktionsgeräte wurden als hochpreisige Lösungen für Fabriken und Einkaufszentren konzipiert, doch der Weg in die Wohnzimmer ist bereits vorbestimmt. Als Teil von Smart-Homes könnten sie mit jeder Art von Mobilgerät gesteuert werden, sodass man auch aus großer Entfernung auf gefährliche Situationen reagieren kann.