UVC Licht

UVC light in the light spectrum
UVC Licht im Lichtspektrum

Was genau ist eigentlich UVC Licht?

UVC Licht ist eigentlich kein Licht, sondern vielmehr ein definierter Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung, ebenso wie sichtbares Licht, oder Infrarot-Strahlung, oder Röntgenstralung. Da UVC Strahlung für das menschliche Auge unsichtbar ist und nur sichtbare Strahlung als Licht bezeichnet wird, handelt es sich also um genau zu sein nicht um UVC Licht, sondern vielmehr um UVC Strahlung. Auf uv-klaerer.de werden allerdings beide Begriffe (UVC Licht und UVC Strahlung) als Synonyme verwendet, auch wenn das in den engen physikalischen Bezeichnungen  nicht ganz richtig ist.

Natürliches UVC Licht der Sonne und die Ozonschicht der Erde

UVC Licht ist ein natürlicher Anteil des von der Sonne ausgestrahlten Lichtes. Auf der Erdoberfläche ist dieser Anteil aber fast nicht mehr messbar, da der UVC Anteil fast vollständig von der die Erdoberfläche umgebenden Ozonschicht ausgefiltert wird. Aber „ nur fast vollständig“, denn Reste des UVC Lichtes gelangen auf die Erdoberfläche. UVC Licht hat einen zentralen Einfluss auf das Leben der Menschen auf der Erde. Jeder wird schon einmal von der Ozon Schicht der Erde gehört haben, aber die wenigsten wissen, dass es das UVC Licht der Sonne ist, die die Ozon Schicht entstehen lässt und permanent nachbildet in dem Sauerstoff der Erde in die Atmosphäre aufsteigt, durch UVC Licht bestrahlt und zu Ozon umgewandelt wird. Gleichzeitig schützt die so ständig nachgebildete Ozonschicht die Erde vor dem Eindringen der von der Sonne produzierten UVC Strahlung. Dieser Schutz durch die Ozonschicht hat das Entstehen von Leben auf der Erde überhaupt ermöglicht, gleichzeitig aber der Evolution Rahmenbedingungen Gesetz, durch die UVC Resistenzen nicht aufgebaut werden konnten. Spezielle diese beiden Eigenschaften:

  • die Umwandlung von Sauerstoff in Ozon durch den natürlichen UVC Anteil des Sonnenlichtes und
  • die UVC filternde Wirkung der Ozonschicht als Schutz der Lebewesen auf der Erde,

sind elementare Prozesse für das Leben auf der Erde.

Kann man UVC Licht sehen? 

UVC Licht verfügt über keine Eigenschaften, die von den menschlichen Sinnesorganen wahrgenommen werden können. UVC Licht ist unsichtbar für das menschliche Auge, auch wenn der Name „ultraviolett“ so klingt als wenn man es mit einem violett gefärbten Licht zu tun hätte, ist das nicht der Fall. „Ultra“ bedeutet „jenseits“ und ultraviolett , demnach jenseits von violett im Spektralbereich des Lichtes. Und auch wenn UVC Lampen oder UVC Leuchtdioden oft eine lila bis bläuliche Färbung aufweisen, ist es nicht der UVC Anteil der hier sichtbar ist. Vielmehr handelt es sich dabei um Anteile von sichtbaren blauem oder violettem Licht, die man sieht, denn nochmal: UVC Licht ist unsichtbar.

Eigenschaften von UVC Licht

UVC Licht ist der energiereichste Anteil der UVC Strahlung und ein Teil der elektromagnetischen Strahlung. Der Wellenlängenbereich der UVC Strahlung wird mit 100 nm bis 280 nm angegeben. Innerhalb dieses Bereiches haben die folgenden Wellenlängen des UVC Lichtes besondere Eigenschaften:

  • UVC Strahlung im Bereich von 180 nm (?) erzeugt Ozon
  • UVC Strahlung im Bereich von 220 nm – 270 nm hat desinfizierende Wirkung und ein Absorptionsmaximum bei
  • UVC Strahlung im Bereich von 200 nm – 300 nm hat eine Ozon mindernde Eigenschaft
  • Vakuum UVC

Künstliche UVC Licht Quellen

Der Mensch hat sich seit ca. 140 Jahren die desinfizierende Wirkung von UVC Licht zu Nutze gemacht und war dabei auf die künstliche Erzeugung von UVC Licht angewiesen. Heute wird UVC Licht mit den folgenden Strahlungsquellen künstlich erzeugt:

  • UVC LEDs
  • UVC Laser
  • UVC Quecksilberdampflampen
    • Niederdrucklampen
    • Mitteldrucklampen
    • Hochdrucklampen
  • Lichtbogenentladungslampen
  • Schweissen/Schneidbrennen

Photochemische Reaktionen durch UVC Strahlung

UVC Strahlung wirkt auf die DNA von Mikroorganismen, mehr noch: die Wellenlänge der UVC Strahlung deckt sich weitgehend mit dem UVC-Absorptionsmaximum der DNA. Doch was ist eigentlich die DNA? DNA steht für Desoxyribonukleinsäure. Es handelt sich dabei um ein langkettiges Molekül, das ähnlich einer Wendeltreppe aufgebaut ist (eine sogenannte verdrehte Doppelhelix). Die Verbindung zwischen den beiden Seitensträngen dieser Helix bilden Nuklein-Basenpaare aus vier Grundbausteinen: Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin. Mit einer bestimmten Häufigkeit liegen zwei dieser Basenpaare mit jeweils einem Thymin nebeneinander. Hier wirkt das UVC, indem die Verbindung zum Adenin des gegenüber liegenden Stranges zerstört wird und die nebeneinander liegenden Thymine miteinander verknüpft werden. Diese beiden Nachbarbasen bilden ein sehr stabiles Molekülverbund (Thymin-Dimer). Wird die DNA von der Zelle zur Proteinproduktion gebraucht oder zur Zellteilung verdoppelt, stoppen die ablesenden Enzyme an dieser Stelle. Je mehr defekte Stellen ein DNA-Strang aufweist, desto größer ist der Schaden für das Leben der Zelle, z.B. auch für Mikroorganismen. Dieses Prinzip erklärt das Dosis-Wirkungsprinzip: je stärker die UVC-Dosis, desto häufiger sind die Schäden und umso höher ist die Abtötungsrate, weil der Ablesevorgang unterbrochen wird. Der Mangel an Enzymen und die Blockade der Zellteilung führt zum Zelltod des Mikroorganismus.

Wellenlängenbereiche von UVC Licht

Der Wellenlängenbereich von UVC Licht erstreckt sich von ca. 100 nm bis 280 nm und grenzt an die Wellenlängenbereiche UVB auf dem einen Übergang und geht dann in Röntgenstrahlen über. Innerhalb des Wellenlängebereichs von 100 nm bis 280 nm hat UVC Licht bei genau 253,7 nm eine besonders hohe keimabtötende Wirkung. Im Bereich von 100 nm bis 200 nm bildet UVC Strahlung aus Sauerstoffatomen Ozon.

Anwendung von UVC Licht

Die Anwendung von UVC Licht bei der Desinfektion hat einige Vorteile im Vergleich zu anderen Desinfektionsverfahren: es entstehen keine chemischen Anreicherungen der zu desinfizierenden Materialien, d.h. es entstehen auch keine toxischen Verbindungen, weiterhin kommt es zu keinen Resistenzenbildungen der bestrahlten Mikroorganismen. UVC Licht wird zur Desinfektion von Flüssigkeiten, Oberflächen und Gase/Luft eingesetzt:

  • Flüssigkeiten, wie z.B.: Wasser, Sirupe , Emulsionen, Salzlösungen.
  • Oberflächen wie z.B.: Verpackungen, Förderwerke, Nahrungsmittel, Funktionsoberflächen.
  • Gase/Luft: Lebensmittelherstellung, Krankenhäuser, Klimaanlagen.

Neben den desinfizierenden Wirkungen wird auch die Fähigkeit von UVC Licht photochemische Reaktionen auszulösen ausgenutzt, so z.B. bei

  • Oxidation: TOC-Verringerung, Ozon-Zerstörung, Chlor-Abbau.
  • Katalyse: Abbau von Schädlingsbekämpfungsmittel, Abwasserbehandlung, Bodenaufbereitung.
  • Desodorierung: Emissionen aus Abwasser und Industrie.

Gefahren und Schutz

Durchdringende UVC Reststrahlung des natürlichen Sonnenlichtes verursacht insbes. Konjunktivitis photoelectrica und Keratokonjunktivitis photoelectrica, die vermehrt im Hochgebirge auftreten (Schneeblindheit).  Diese ist äußerst gefährlich für Kontaktlinsenträger. Künstliche UVC Strahlungsquellen, wie UVC Lampen, aber auch Lichtbogenschweissgeräte können ebenfalls Haut- und Augenrötungen hervorrufen.

UVC Dosis (Bestrahlungsdosis)

UVC Strahlung ist energiereiche Strahlung, sogenannte Strahlungsenergie. Für die Inaktivierung von Mikroorganismen wird das sogenannte Dosis-Prinzip angewendet:

  • UVC-Dosis = Intensität x Zeit;
  • UVC-Dosis (mWs/cm²) = Intensität (mW/cm²) x Zeit (s)

Die UVC Dosis entscheidet über die Wirksamkeit der UVC Strahlung bei der Inaktivierung von Mikroorganismen. Die UVC Dosis wird durch zwei zentrale Einflussfaktoren bestimmt: der Intensität und der Zeit, d.h. je intensiver die Bestrahlung oder je länger die Bestrahlung erfolgt, desto größer wird die Bestrahlungsdosis.  Dosis = aufgenommene spezifische elektrische Leistung / Geschwindigkeit ((W/cm) / (cm/s)). Die Intensität ist die abgegebene Strahlungsleistung der Lichtquelle in W/cm² oder mW/cm². Die UVC Intensität ist eine Funktion der folgenden Größen: Entfernung zur Strahlungsquelle, Reflektor und Reflektorgeometrie, Reflektorart und Reflektorgüte, Strahlerleistung, Messort im Strahlungsbereich.

Einheiten bei der Messung von UVC Strahlung

Im Zusammenhang mit UVC Strahlung sind einige physikalische Einheiten relevant, die nachfolgend kurz vorgestellt werden:  

  • Intensität: mWs/cm²
  • Wellenlänge in Nano-Meter: nm
  • Dosis: mW/cm² x s
  • Log-Reduktion, log10-Stufen: Maßeinheit für die Beschreibung der Keimreduktion.

UVC Messsysteme

UVC Strahlung – Schutzvorkehrungen

  • Handschuhe / Schnittschutzhandschuhe
  • UVC-Schutzbrillen

Quecksilber-Niederdruckentladungslampen

  • typische Leuchtmittel-Leistung: 4 – 100 Watt
  • Lampen-Effizienz: < 40%
  • UVC-Leistung pro cm: 0,2 Watt / cm
  • Oberflächentemperatur: 40 °C
  • Typische Lebensdauer: ~ 10.000 Stunden
  • 85% Emission bei 253,7 nm, 12% bei 185,0 nm, Rest bei 365 nm und mehrere Linien im sichtbaren Bereich

Amalgam-Lampen

  • typische Leuchtmittel-Leistung: 100 – 300 Watt
  • Lampen-Effizienz: 30 – 35%
  • UVC-Leistung pro cm: 0,7 Watt / cm
  • Oberflächentemperatur: 100 °C

Quecksilber-Mitteldruckentladungslampen

  • typische Leuchtmittel-Leistung: 1.000 – 17.000 Watt
  • Lampen-Effizienz: 10 – 15%
  • UVC-Leistung pro cm: 15 Watt / cm
  • Oberflächentemperatur: 600 – 900 °C
  • Stärkste Emission im UV-A/UV-B Bereich aber mehr sichtbare Strahlung als Niederdrucklampen
  • Hohe Leistungsdichte + kompaktes Design, aber niedrigere Effizienz

UVC LED

Die Desinfektion von Wasser, Luft und Oberflächen durch die Bestrahlung mit UVC-Licht aus Quecksilberdampflampen ist heute bereits ein weit verbreiteter Stand der Technik. Gleichzeitig wird weltweit daran geforscht, Leuchtdioden zu entwickeln, die Licht im UVC-Bereich aussenden. Dabei werden Aluminiumnitrid (AlN) und Galliumnitrid (GaN) -Legierungen verwendet, um LEDs herzustellen, die Licht im keimabtötenden Wellenlängenbereich emittieren. Mehr Informationen

UVC-Licht und UVC-Lichtfilter

Interessant ist das Zusammenspiel von UVC Licht und Filtern die in der Lage sind die Strahlung zu reduzieren. Im Fall der Sonne ist die Ozon-Schicht der Erde ein riesiger UVC Filter, der uns das Leben auf der Erde ermöglicht. Im Fall des UVC Klärers soll genau das Gegenteilt erreicht werden: Es soll möglichst viel des künstlich erzeugten UVC Lichts durch den Glaskolben der UV Lampe gelassen werden. Durch den Einsatz von sogenanntem Quarzglas wird die hohe UVC Lichtdurchlässigkeit erreicht. Die Fenster der Space Shuttles wurden übrigens ebenfalls aus Quarzglas hergestellt. Reines Fensterglas ist nicht UVC durchlässig.

UVC Licht und Mikroorganismen

Was macht das UVC Licht mit den unerwünschten Mikroorganismen wie Bakterien, Algen etc? UVC Licht hat eine zerstörerischen Einfluss auf die Zellen von Lebewesen. Die DNA der Zellen wird durch das UVC Licht so stark zerstört, dass diese nicht mehr reproduktionsfähig, nicht mehr lebensfähig sind und absterben. Mehr Informationen

Wichtiger Hinweis: UVC Licht würde auch menschliche Zellen schädigen, daher den direkten Sicht- und Haut-Kontakt mit UVC-Licht unbedingt vermeiden!

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