Technik & Wissenschaft
Wie Infrarotwärme funktioniert
Vom elektromagnetischen Spektrum bis zur Haut: die Physik hinter einer durchdachten Infrarotheizung
So funktioniert Infrarotheizung
Infrarotwärme überträgt sich durch elektromagnetische Strahlung, die sich geradlinig von der Strahlungsquelle ausbreitet und erst dann in Wärme umgewandelt wird, wenn sie von Haut, Kleidung oder anderen Oberflächen absorbiert wird. Es ist dasselbe Prinzip, das Sie an einem kalten Wintertag in der Sonne wärmt, und dasselbe Prinzip, das in der Industrie eingesetzt wird, um Farbe zu trocknen, Kunststoffflaschen zu erwärmen und Verpackungen zu sterilisieren. Was einen sorgfältig konstruierten Infrarot-Heizstrahler von einem durchschnittlichen Gerät unterscheidet, hat weniger mit der Nennleistung zu tun als mit der Wellenlänge, auf der die Strahlung emittiert wird. Diese Seite erklärt im Detail, warum die Wellenlänge der am häufigsten unterschätzte Parameter in der Strahlungswärme ist und warum ein Heizelement mit einem Leistungsmaximum bei 2,2 Mikrometern spürbar bessere Komfortwärme erzeugt als eines mit einem Maximum bei 1,0 oder 1,2 Mikrometern.
Das elektromagnetische Spektrum
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Infrarotstrahlung liegt zwischen Mikrowellen und sichtbarem Licht, im niedrigenergetischen und ungefährlichen Bereich des Spektrums. Sie gehört zur selben Strahlungsfamilie wie die Wärme von Sonne und Lagerfeuer.
Wiensches Verschiebungsgesetz
Die Temperatur bestimmt die Wellenlänge: klicken Sie auf eine Spitze, um zu vergleichen
Dasselbe Naturgesetz steuert jede Strahlungsquelle. Die Sonne mit 5.800 K hat ihr Maximum im sichtbaren Licht, die Halogenlampe mit 2.500 K im IR-A, der Opranic IR-B-Emitter mit rund 1.320 K bei 2,2 µm. Die Wellenlänge ist an die Temperatur gekoppelt.
Die Physik
Warum die Temperatur der Strahlungsquelle die Wellenlänge bestimmt
Dies gehört zu den am häufigsten missverstandenen Zusammenhängen der Strahlungsphysik. Viele gehen davon aus, man könne eine kurzwellige Strahlungsquelle mit geringerer Leistung oder eine langwellige mit hoher Leistung betreiben. Das ist physikalisch nicht möglich. Die Wellenlänge der emittierten Strahlung ist untrennbar an die Temperatur der Strahlungsquelle gebunden, und zwar durch ein Gesetz, das der deutsche Physiker Wilhelm Wien bereits 1893 formulierte.
Das Wiensche Verschiebungsgesetz besagt, dass die Wellenlänge, bei der ein erhitzter Körper seine maximale Strahlungsleistung abgibt, umgekehrt proportional zu seiner absoluten Temperatur ist. Vereinfacht ausgedrückt: Je heißer ein Körper, desto kürzer die dominante Wellenlänge. Deshalb hat eine Wärmequelle, die rot leuchtet, eine längere dominante Wellenlänge als eine, die gelb oder weiß strahlt. Der Schmied, der Eisen erhitzt, beobachtet dies unmittelbar: Bei rund 800 Grad Celsius erscheint das Metall tiefrot, bei 1.000 Grad orange-rot, bei 1.300 Grad gelb und bei über 1.500 Grad weiß. Das Material bleibt dasselbe; das Spektrum verschiebt sich mit steigender Temperatur konsequent zu kürzeren Wellenlängen.
Für einen Infrarot-Heizstrahler bedeutet dies, dass die Konstruktion des Heizelements, das verwendete Material und die Betriebstemperatur gemeinsam ein spezifisches Spektralprofil festlegen. Ein Halogenstrahler mit einem Wolframfaden, der bei etwa 2.200 Grad Celsius glüht, erreicht seinen Leistungsgipfel bei rund 1,2 bis 1,4 Mikrometern. Das ist unveränderlich. Ein carbonbasiertes Heizelement wie das von Opranic arbeitet bei einer Oberflächentemperatur von rund 950 bis 1.050 Grad Celsius auf Maximalleistung und erreicht damit seinen Emissionsgipfel im optimalen Bereich um 2,2 Mikrometer. Technologie und Temperatur bestimmen das Spektrum gemeinsam.
Mathematisch lässt sich das Wiensche Verschiebungsgesetz so ausdrücken: Die Wellenlänge des Emissionsmaximums in Mikrometern ergibt sich aus 2.898 dividiert durch die Temperatur in Kelvin. Einige konkrete Beispiele: Die Sonne hat eine Oberflächentemperatur von rund 5.800 Kelvin, woraus eine Spitzenwellenlänge von etwa 0,5 Mikrometern resultiert, genau im gelbgrünen Bereich des sichtbaren Lichts. Es ist kein Zufall, dass das menschliche Auge für grünes Licht am empfindlichsten ist; wir haben uns unter dem Spektrum der Sonne entwickelt. Ein Wolframfaden in einer Halogenlampe bei 2.500 Kelvin erreicht sein Maximum bei rund 1,16 Mikrometern. Ein carbon- oder NiCr-basierter IR-B-Strahler bei etwa 1.320 Kelvin kommt auf 2,2 Mikrometer. Eine keramische Langwellenplatte bei 600 Kelvin erreicht 4,8 Mikrometer. Und eine Wand in einem beheizten Raum bei 300 Kelvin emittiert mit einem Maximum von nahezu 10 Mikrometern.
Dieselbe Gesetzmäßigkeit erklärt, warum ein Infrarotstrahler nicht durch bloße Leistungssteigerung effizienter gemacht werden kann. Erhöht man die Stromzufuhr zu einer langwelligen Quelle, um mehr Wärme zu erzeugen, steigt deren Oberflächentemperatur, und das Spektrum verschiebt sich zu kürzeren Wellenlängen. Das Produkt verändert damit seinen Charakter grundlegend. Umgekehrt gilt: Drosselt man die Stromzufuhr zu einem Kurzwellenstrahler, um die Intensität zu reduzieren, sinkt die Oberflächentemperatur und das Spektrum verschiebt sich zu längeren Wellenlängen, jedoch bei weitem nicht genug, um echte Mittelwelleneigenschaften zu erreichen. Heizelemente sind auf einen engen Betriebstemperaturbereich ausgelegt; wird dieser verlassen, entstehen Kompromisse bei Lebensdauer und Spektralqualität gleichermaßen.
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IR-X Carbon Black Emissionsmaximum
Die Wellenlänge entscheidet, ob Strahlung absorbiert oder reflektiert wird.
Nicht die Leistung.
Drei Bänder
Wo die Strahlung in der Haut wirkt
Drei Bänder mit unterschiedlichem Charakter
Das Infrarotspektrum wird konventionell in drei Hauptbänder unterteilt. Die Einteilung folgt dem Verhalten der Strahlung beim Auftreffen auf Materie, insbesondere auf menschliches Gewebe.
Kurzwelliges Infrarot, IR-A, umfasst 0,78 bis 1,4 Mikrometer und erfordert sehr heiße Quellen mit Oberflächentemperaturen über 1.700 Grad Celsius. Die Sonne ist das natürliche Beispiel, Halogenstrahler und Kurzwellenstrahler die künstlichen. Mittelwelliges Infrarot, IR-B, liegt zwischen 1,4 und 3 Mikrometern und wird von Quellen im Bereich von 600 bis 1.700 Grad erzeugt. Das IR-X Carbon Black-Element von Opranic arbeitet in diesem Bereich, mit einem Leistungsmaximum bei 2,2 µm bei Volllast. Langwelliges Infrarot, IR-C, erstreckt sich von 3 Mikrometern bis zu 1.000 Mikrometern und stammt aus kälteren Quellen: Keramikpaneelen, erwärmten Oberflächen, dem menschlichen Körper selbst. Die Grenzen bei 1,4 und 3 Mikrometern folgen der Norm ISO 20473 und sind Konventionen, keine scharfen physikalischen Grenzen, erfassen aber einen realen Unterschied im Verhalten der Strahlung.
Die Haut als optisches Filter
Trifft ein Infrarotstrahl auf die Haut, geschehen drei Dinge gleichzeitig: Ein Teil wird zurück in den Raum reflektiert, ein Teil transmittiert tief ins Gewebe, und ein Teil wird absorbiert und in Wärme umgewandelt. Die Verteilung dieser drei Anteile hängt vollständig von der Wellenlänge ab. Genau hier entscheidet die Wahl der Technologie darüber, ob jemand an einem kühlen Herbstabend auf der Terrasse angenehm warm sitzt oder nicht.
Die äußerste Hautschicht, das Stratum corneum, ist etwa 10 bis 20 Mikrometer dick und besteht aus abgestorbenen Keratinzellen und Lipiden. Darunter liegt die Epidermis mit rund 100 Mikrometern, gefolgt von der Dermis mit Blutgefäßen, Nervenenden und den wärmeempfindlichen Rezeptoren. Damit Strahlung eine angenehme Wärmeempfindung auslöst, muss sie in der richtigen Tiefe absorbiert werden: tief genug, um die Rezeptoren in der Dermis zu erreichen, aber nicht so tief, dass sie ungenutzt durch das Gewebe hindurchläuft.
Das Verhalten der drei Bänder
Kurzwelliges IR-A zwischen 0,8 und 1,4 Mikrometern weist eine hohe Transmission durch die Haut auf. Ein erheblicher Anteil der Strahlung dringt direkt durch die Epidermis und kann mehrere Millimeter in Dermis und Subkutis eindringen. Gleichzeitig reflektiert die Haut bis zur Hälfte der kurzwelligen Strahlung zurück in die Luft. In der Summe ist die Energieübertragung pro einfallendem Watt für Komfortwärme weniger effizient, obwohl die Strahlung physikalisch tief eindringt. Eben dieses tiefe Eindringen kann bei hohen Intensitäten aus künstlichen Quellen in geringem Abstand als stechend empfunden werden: Die Strahlung erreicht Schichten unterhalb der Haut und erzeugt dort Wärme, ohne die oberflächlichen Wärmerezeptoren direkt zu aktivieren.
Mittelwelliges IR-B im Bereich von 2 bis 3 Mikrometern verhält sich grundlegend anders. Die Reflexion an der Haut ist in diesem Bereich deutlich geringer, und die Absorption ist hoch in genau jenen Hautschichten, in denen die Wärmerezeptoren am dichtesten sitzen. Die Strahlung dringt nicht tiefer als etwa 1 Millimeter ein, wird dort aber vollständig aufgenommen und löst eine angenehme Wärmeempfindung aus, ohne die Oberfläche zu verbrennen. Die Durchblutung verteilt die Wärme anschließend auf natürliche Weise im Körper.
Langwelliges IR-C oberhalb von 3 Mikrometern wird nahezu vollständig in den äußersten Hautschichten absorbiert, häufig innerhalb von weniger als 0,1 Millimetern. Das erzeugt ein Empfinden oberflächlicher Wärme, das in Innenräumen sehr angenehm ist. Im Außenbereich ist die Intensität langwelliger Quellen jedoch in der Regel zu gering, um gegen Wind und Kälte eine spürbare Komfortwirkung zu erzielen.
Die richtige Tiefe, die richtigen Rezeptoren
Das Absorptionsprofil des mittelwelligen Infrarotbandes trifft auf die Anatomie der Haut nicht zufällig so genau. Die Wärmerezeptoren in Epidermis und Dermis liegen in einer Tiefe, in der IR-B-Strahlung effizient absorbiert wird, während IR-A an ihnen vorbeizieht und IR-C bereits in den abgestorbenen Oberflächenzellen gestoppt wird, bevor ein Signal das Nervensystem erreicht. Für einen Infrarot-Heizstrahler im Außenbereich ist das IR-B-Band daher der funktionale Optimalpunkt, an dem Strahlung, Haut und Wärmeempfinden zusammentreffen.
IR-B ist außerdem in der Physiotherapie etabliert und wird in medizinisch zugelassenen Wärmequellen für Neugeborene auf Neonatologiestationen eingesetzt. Infrarotstrahlung ist keine exotische Technologie, sondern eine gut charakterisierte Wärmequelle mit bekanntem Wirkprofil.
Infrarot-Wellenlängen und Wasserabsorption
Leistungsstufe des IR-X wählen
Leistung
100 %
Heizelement
1.050 °C
Wellenlängenmaximum
2,2 µm
Opranic IR-X arbeitet mit kontinuierlicher Spannungsregelung; dadurch verschieben sich Temperatur des Heizelements und Wellenlänge der Strahlung mit der gewählten Leistungsstufe. Klicken Sie oben auf die Schaltflächen, um zu sehen, wie IR-X den optimalen Bereich der Wasserabsorption durchläuft, von 2,2 µm bei P5 bis 2,7 µm bei P1. Die Kurven sind nach dem Planckschen Strahlungsgesetz berechnet.
Die Abwägung hinter 2,2 µm
Der Körper besteht überwiegend aus Wasser
Wenn man beschreibt, wie Infrarotstrahlung einen Menschen erwärmt, beschreibt man im Kern, wie Strahlung Wasser erwärmt. Der Körper eines Erwachsenen besteht zu etwa 60 bis 70 Prozent aus Wasser. Jede Hautzelle, jedes Blutgefäß, jeder Muskel enthält Wasser, das maßgeblich bestimmt, wie der Körper mit elektromagnetischer Strahlung im Infrarotbereich wechselwirkt.
Das Wassermolekül besitzt eine gut charakterisierte Absorptionskurve. Sie verläuft nicht gleichmäßig, sondern weist ausgeprägte Maxima und Minima auf. Wasser absorbiert schlecht bei sichtbarem Licht und bei kurzwelligem IR-A um 1 Mikrometer; deshalb ist das Meer für sichtbares Licht transparent, und deshalb dringt kurzwellige Strahlung leicht durch die Haut. Ab etwa 1,45 Mikrometern steigt die Absorption stark an. Zwischen 1,9 und 3,0 Mikrometern liegt ein Absorptionsband, das so ausgeprägt ist, dass ein Wasserfilm von wenigen Zehntelmillimetern nahezu die gesamte einfallende Strahlung absorbiert. Das Absorptionsmaximum liegt bei rund 2,9 bis 3,0 Mikrometern.
Warum 2,2 und nicht 3,0 Mikrometer
Eine subtile, aber wichtige Frage: Wenn 3,0 Mikrometer das Absorptionsmaximum ist, warum emittiert ein optimiertes Heizelement dann bei 2,2 und nicht bei 3,0 Mikrometern? Die Antwort liegt in einer Abwägung zwischen zwei konkurrierenden Anforderungen.
Einerseits soll die Strahlung vom Wasser in der Haut absorbiert werden, was für eine längere Wellenlänge spricht. Andererseits muss die Strahlungsquelle eine ausreichend hohe Leistungsdichte erzeugen, um bei Wind und Kälte spürbar warm zu wirken, was für eine kürzere Wellenlänge spricht, bei der die Oberflächentemperatur nach dem Wienschen Verschiebungsgesetz höher ausfällt. Bei 2,2 Mikrometern auf Maximalleistung treffen beide Anforderungen optimal zusammen: Die Wasserabsorption ist weiterhin hoch, und die Leistungsdichte reicht für den gewerblichen Einsatz im Außenbereich aus.
Bei niedrigeren Leistungsstufen verschiebt sich das Emissionsmaximum zu längeren Wellenlängen und nähert sich dem Absorptionsmaximum des Wassers weiter an, was eine weichere Wärmeempfindung erzeugt. Das interaktive Diagramm oben zeigt, wie die Wellenlänge je nach gewählter Leistungsstufe zwischen 2,2 und 2,7 Mikrometern gleitet. Der gesamte Bereich liegt in einem Fenster, in dem die Reflexion der Haut niedrig ist, wie im vorangegangenen Abschnitt erläutert. Das ergibt eine doppelte Optimierung: sowohl auf die äußere Hautschicht als auch auf die Wassermoleküle im Gewebe.
Warum nicht noch längere Wellenlängen
Bei Wellenlängen über 3 Mikrometer sinkt die Oberflächentemperatur der Strahlungsquelle so weit, dass die Leistungsdichte drastisch abnimmt. Leistungsdichte bezeichnet die abgestrahlte Leistung pro Quadratmeter abstrahlender Fläche; sie folgt direkt aus dem Stefan-Boltzmann-Gesetz: Die abgestrahlte Leistung pro Flächeneinheit wächst mit der vierten Potenz der Temperatur. Ein Strahler bei 400 Grad Celsius gibt pro Flächeneinheit weniger als ein Sechstel der Leistung ab, die ein Strahler bei 900 Grad Celsius erzeugt.
Langwelliges IR-C eignet sich deshalb hervorragend für den Innenbereich, wo eine moderate Leistungsdichte genügt und kein Wind die Wärmeübertragung stört. Für offene Terrassen mit hoher konvektiver Wärmeabfuhr reicht es nicht aus.
Kurzwelle hat ihren Platz, aber mit einem Preis
In extrem windexponierten Umgebungen und bei sehr niedrigen Temperaturen kann ein Kurzwellenstrahler mit hoher Leistungsdichte auf gleicher Distanz wärmer wirken als ein Mittelwellenstrahler. Der Grund dafür liegt nicht darin, dass Kurzwelle hautphysiologisch vorteilhafter ist, sondern darin, dass die hohe Oberflächentemperatur eine schiere Wattzahl pro Quadratmeter liefert, die die Absorptionsoptimierung überlagert. Der Preis dafür sind geringere Verträglichkeit für die Haut, ein höherer Anteil reflektierter Energie und eine Strahlung, die bei längerer Exposition häufig als hart und stechend empfunden wird.
Für sorgfältig geplante Außenterrassen mit moderatem Windschutz ist ein mittelwelliger IR-B-Infrarotstrahler mit einem Emissionsmaximum um 2,2 Mikrometer in nahezu allen Fällen die ausgewogenere Wahl, sowohl für den Komfort als auch für die langfristige Hautverträglichkeit. Kurzwelle ist eine legitime Option in extrem windexponierten, industriell geprägten Umgebungen mit kurzen Expositionszeiten; dabei sollte man sich jedoch bewusst sein, dass es sich um einen Kompromiss zugunsten reiner Leistungsdichte auf Kosten des Hautkomforts handelt.
Das industrielle Wissen über mittelwellige Infrarotstrahlung existiert seit Jahrzehnten. Opranic hat es auf die Komfortheizung übertragen.
Dasselbe physikalische Prinzip bestimmt die Wahl des IR-Bands in der Industrie wie auf der Terrasse. IR-B bei rund 2,2 µm trifft die Resonanzfrequenz der OH-Bindungen in organischen Materialien; Wasser, Kunststoff, Papier und menschliche Haut reagieren auf identische Weise.
Molekulare Ebene
Wie Infrarotwärme auf molekularer Ebene funktioniert: Schwingungen werden zu Wärme
Ein verbreitetes Missverständnis ist, dass Infrarotstrahlung selbst Wärme ist, die sich durch den Raum bewegt. Tatsächlich handelt es sich um elektromagnetische Energie, die sich in Form von Wellen ausbreitet. Wärme entsteht erst dann, wenn diese Energie von Materie absorbiert und in molekulare Bewegung umgewandelt wird. Dieser Unterschied ist das Fundament der gesamten Strahlungstechnik und erklärt, warum Infrarotwärme so grundlegend anders wirkt als Konvektionsheizung.
Alle Moleküle bestehen aus Atomen, die durch chemische Bindungen zusammengehalten werden. Diese Bindungen lassen sich als kleine Federn beschreiben, um die die Atome in charakteristischen Frequenzen schwingen. Trifft eine elektromagnetische Welle auf ein Molekül, deren Frequenz mit der natürlichen Schwingungsfrequenz dieses Moleküls übereinstimmt, wird die Energie resonant übertragen, und das Molekül beginnt stärker zu schwingen. Dieser Vorgang wird als Schwingungsresonanz bezeichnet. Er ist es, der Infrarotstrahlung in Wärme verwandelt.
Das Wassermolekül H₂O besitzt drei wesentliche Schwingungsmoden: symmetrische Streckschwingung, asymmetrische Streckschwingung und Biegeschwingung des Bindungswinkels zwischen Wasserstoff und Sauerstoff. Die Resonanzfrequenzen dieser Moden entsprechen Wellenlängen von etwa 2,7, 2,9 und 6,3 Mikrometern. Genau deshalb absorbiert Wasser im Bereich von 2 bis 3 Mikrometern besonders stark: Die infraroten Wellen treffen auf die eigenen Schwingungsfrequenzen des Moleküls, und die Energie wird effizient übertragen. Wenn das Wassermolekül stärker schwingt, ist das die physikalische Definition einer höheren Temperatur. Die Energie hat den Zustand gewechselt, von elektromagnetischer Strahlung zu Wärmeenergie im Gewebe.
Daraus ergibt sich auch, warum Infrarotstrahlung eine Oberfläche erwärmen kann, ohne die dazwischenliegende Luft nennenswert aufzuheizen. Die Hauptbestandteile der Luft, Stickstoff und Sauerstoff, sind sogenannte homonukleare Moleküle mit sehr wenigen Schwingungsmoden, die dem Infrarotspektrum entsprechen. Stickstoff absorbiert im für Komfortheizungen relevanten Wellenlängenbereich praktisch nichts. Die Strahlung durchquert die Luft nahezu verlustfrei, bis sie auf eine wasserhaltige Oberfläche trifft, einen Menschen, eine Pflanze, einen Holzboden. Dort wird sie absorbiert und wird zu Wärme.
Eine elegante Konsequenz davon ist, dass die Luft zwischen dem Strahler und dem Körper vergleichsweise kühl bleibt, selbst wenn die Strahlungswärme als angenehm empfunden wird. An dieser Stelle ist jedoch eine wichtige praktische Differenzierung notwendig. Die Infrarotstrahlung selbst wird durch Wind nicht abgelenkt, da sie sich geradlinig ausbreitet, unabhängig von Luftbewegungen. Gleichzeitig gibt die Haut Wärme an die Umgebung über Konvektion ab, und dieser konvektive Verlust steigt mit der Windgeschwindigkeit erheblich an. Das ist dasselbe Prinzip, das einen windigen Tag bei gleicher Lufttemperatur deutlich kälter erscheinen lässt als einen windstillen. Bei starkem Wind ist deshalb eine höhere Strahlungsintensität oder ein geringerer Abstand erforderlich, nicht weil die Strahlung selbst nachlässt, sondern weil der Körper mehr Wärme an die bewegte Luft abgibt. Das ist ein wesentlicher Unterschied zur Konvektionsheizung, die bei Wind praktisch wirkungslos wird. Ein gut positionierter Infrarotstrahler liefert auch bei Wind nutzbare Wärme; er muss lediglich etwas mehr Energie bereitstellen, um den erhöhten Wärmeverlust der Haut auszugleichen.
Kohlendioxid und Wasserdampf in der Luft spielen eine gewisse Rolle. Diese Moleküle besitzen Schwingungsmoden im Infrarotbereich und absorbieren bestimmte Teile des Spektrums, was letztlich auch dem atmosphärischen Treibhauseffekt zugrunde liegt. Für die auf einer Terrasse typischen Abstände von wenigen Metern ist diese Absorption jedoch vollständig vernachlässigbar. Die Strahlung erreicht den Körper in der Praxis unverändert.
Industrielle Ingenieurskunst
Dieselbe Physik, die in der Industrie Kunststoff formt und Papier trocknet
Es liegt nahe, die Diskussion über Wellenlänge und Absorption für akademisch zu halten. Das ist sie nicht. Dieselbe Wellenlängenwahl, die 2,2 Mikrometer für die menschliche Komfortwärme optimal macht, bestimmt auch, welche Wellenlängen für industrielle Anwendungen die richtige Wahl sind. IR-Technologie wird im großen Maßstab eingesetzt, um Farbe zu trocknen, Kunststoffflaschen zu formen, Verpackungen zu sterilisieren, Klebstoffe auszuhärten und vieles mehr. In jedem Fall wird die Wellenlänge auf den spezifischen Werkstoff abgestimmt, der erwärmt werden soll.
Kunststoffe absorbieren Infrarotstrahlung beispielsweise vorwiegend im Bereich oberhalb von 2 Mikrometer. Dünne Kunststofffolien für Lebensmittelverpackungen absorbieren kurzwellige Strahlung aus Halogenlampen nur sehr schlecht, nehmen Mittelwellenstrahlung jedoch effizient auf. Deshalb verwenden moderne PET-Flaschenblasmaschinen Mittelwellen-Infrarotstrahlung, um Vorformlinge vor dem Blasvorgang zu erwärmen. Textilien, Papier und Holz, alle organischen Materialien mit Wasser oder OH-Bindungen, absorbieren am stärksten in demselben Spektralbereich wie menschliche Haut. Der Grund liegt in molekularen Strukturen, die denen von Wasser oder anderen schwingungsempfindlichen Bindungen ähneln.
Kurzwellige Strahlung wird in der Industrie vor allem dort eingesetzt, wo dicke, pigmentierte Materialien mit Absorption über viele Wellenlängen hinweg erwärmt werden sollen, etwa Metallblech, dunkler Gummi oder Karosserieteile. Dort liefert die Kurzwelle hohe Intensität und dringt tief ein. Für eine Terrasse, auf der Menschen sitzen und entspannen, ist die Anforderung genau umgekehrt: Die Energie soll in der Hautoberfläche verbleiben, nicht tief eindringen. Einen kurzwelligen Infrarotstrahler für Komfortwärme einzusetzen ist aus ingenieurstechnischer Sicht so, als würde man eine Industrielampe zur Kunststoffhärtung nehmen, obwohl man eigentlich nur ein Buch lesen möchte.
Heraeus, einer der weltweit führenden Hersteller industrieller IR-Systeme, veröffentlicht technische Daten, die exakt dieselbe Physik zeigen, die Opranic auf der Verbraucherseite anwendet. Wenn ein Gastronom einen Opranic-Infrarotstrahler für seine Außengastronomie anschafft, wirken dieselben optischen Prinzipien wie beim Erwärmen von PET-Flaschen in einer deutschen Fabrik oder beim Trocknen von Druckfarbe auf einer belgischen Druckmaschine, angewandt auf eine Außenterrasse und den menschlichen Körper.
Infrarotstrahlung zur Enteisung von Windkraftflügeln unter arktischen Bedingungen
Längere Wellenlängen sind wirksamer, um die Energie an der Oberfläche zu binden, da die Absorption in diesem Spektrumsbereich höher ist. Eine Kombination von IR-Strahlern mit unterschiedlichen Wellenlängen liefert ein breiteres Spektrum und damit ein effizienteres Ergebnis.
Fazit, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2019
Sicherheit
Infrarotstrahlung auf Komfortniveau ist von internationaler Experteninstanz sicherheitsbeurteilt
Die Internationale Kommission für den Schutz vor nichtionisierender Strahlung, ICNIRP, ist das globale Referenzgremium für Sicherheitsrichtlinien im Bereich elektromagnetischer Strahlung unterhalb der ionisierenden Schwelle. Die von ihr veröffentlichten Grenzwerte dienen Behörden weltweit als Referenz, und ihre Richtlinien zur Infrarotexposition sind wissenschaftlich etabliert.
Infrarotstrahlung gehört zum nichtionisierenden Bereich des Spektrums. Das bedeutet: Die Photonen besitzen nicht genug Energie, um chemische Bindungen in der DNA zu brechen. Darin liegt ein grundlegender Unterschied zur ultravioletten Strahlung, die ionisierend wirkt und bei Überexposition Hautkrebs verursachen kann. IR-Strahlung auf Komfortniveau verfügt über keinen solchen Wirkmechanismus. Die einzigen Sicherheitsparameter, auf die ICNIRP bei Infrarot fokussiert, sind thermische Effekte, also die Frage, ob Haut oder Augen einer Strahlungsintensität ausgesetzt werden, die Gewebe überhitzt.
Bei einer typischen Terrasseninstallation liegt die Strahlungsintensität eines korrekt montierten Infrarotstrahlers, etwa eines PRO V70 auf 2,5 Meter Montagehöhe, weit unterhalb der ICNIRP-Grenzwerte für eine tägliche Exposition von mehreren Stunden. Konstruktion des Geräts, Abstand und Leistungsverteilung stellen dies sicher. Auch die Augensicherheit ist gut beurteilt. Während der direkte Blick in einen sehr heißen Halogen- oder Kurzwellenstrahler Beschwerden verursachen kann, gilt die diffuse Strahlung eines korrekt installierten Mittelwellenstrahlers auf Komfortniveau für den normalen Gebrauch als unbedenklich.
Ein subtiler Vorteil von Mittelwellenstrahlern bei 2,2 Mikrometern liegt darin, dass Strahlung dieser Wellenlänge von den vorderen Strukturen des Auges, Hornhaut und Kammerwasser, sehr effizient absorbiert wird. Die Strahlung dringt daher nicht so tief in das Auge ein, wie es kurzwellige Strahlung tun kann. Kurzwellige IR-A zwischen 0,8 und 1,4 Mikrometern passiert die Hornhaut und kann mit erheblich höherer Intensität die Netzhaut erreichen. Das ist einer der Gründe, warum ICNIRP für den Kurzwellenbereich strengere Grenzwerte festlegt. In der Praxis liegt all dies weit entfernt von der Alltagsexposition an einem gut konstruierten Komfortheizstrahler. Als ingenieurtechnisches Prinzip ist es jedoch sinnvoll, eine Technologie zu wählen, die von Natur aus auf der sichereren Seite liegt.
Hinsichtlich der Hautgesundheit wird in der Wissenschaft seit einigen Jahren diskutiert, ob intensive IR-A zu oxidativem Stress und einer Beeinträchtigung des Kollagens beitragen kann. Die Forschungslage ist uneinheitlich. Natürliche IR-A der Sonne gilt nach dermatologischer Expertenmeinung bei normaler Dosis als unbedenklich, und Infrarotstrahlung wird seit Jahrzehnten medizinisch zur Wundheilung und Hautpflege eingesetzt. Einzelne Studien zeigen jedoch, dass künstliche Kurzwellenquellen aus geringer Entfernung in den tieferen Hautschichten freie Radikale erzeugen können. Das ist ein weiterer Grund, für Komfortwärme Mittelwellenstrahlung bei 2,2 Mikrometern zu bevorzugen. Die Strahlung wird im äußeren Millimeter der Haut absorbiert und erreicht die Fibroblasten im Korium nicht auf dieselbe Weise.
Infrarotstrahlung zur Enteisung von Windkraftrotorblättern unter arktischen Bedingungen
Längere Wellenlängen sind effektiver, um die Energie an der Oberfläche zu halten, da die Absorption in diesem Spektrum höher ist. Eine Kombination von IR-Strahlern mit unterschiedlichen Wellenlängen bietet ein breiteres Spektrum und damit effizientere Ergebnisse.
— Schlussfolgerung, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2019
Unabhängige Belege
Luleå tekniska universitet validierte die Bedeutung der Wellenlänge unter arktischen Bedingungen
Im April 2019 führten Luleå tekniska universitet und die Forschungs- und Entwicklungsabteilung von Vattenfall eine unabhängige experimentelle Studie durch. Ziel war es, zu untersuchen, ob Infrarotstrahlung zur Enteisung von Windkraftrotorblättern unter arktischen Bedingungen eingesetzt werden kann, ein Problem, das die skandinavische Windkraftbranche jedes Jahr erhebliche Produktionseinbußen kostet. Opranic lieferte die Strahlungsquellen für die Studie: zwei spezifische Typen, einen IR-X-Strahler mit einem Leistungsmaximum bei 2,4 Mikrometern und einen Halogenstrahler mit einem Leistungsmaximum bei 1,4 Mikrometern.
Die Studie wurde im Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics veröffentlicht und ist als begutachtete Forschungsarbeit frei zugänglich. Die Tests fanden in Klimakammern der Arctic Falls-Anlage in Piteå statt, wo die Umgebungstemperatur zwischen 0 und minus 30 Grad Celsius präzise geregelt werden konnte. Die Rotorblätter wurden mit Hilfe von Schneekanonen mit leichtem Reifeis belegt und anschließend mit verschiedenen Kombinationen von IR-Strahlern aus 1,0 und 1,5 Metern Abstand erwärmt.
Die Ergebnisse sind technisch aufschlussreich und bestätigen mehrere Grundlagen, auf denen Opranic seine Produkte seit über 20 Jahren aufbaut. Erstens zeigte die Studie, dass die Kombination aus IR-X und Halogen bei 1,5 Metern Abstand das effektivste Enteisungsergebnis lieferte, mit einer Schmelzrate von 0,20 Kilogramm Eis pro Minute. Die Konfiguration mit ausschließlich IR-X-Strahlern erzielte auf demselben Abstand 0,13 Kilogramm pro Minute. Zweitens belegte die Studie, dass der IR-X-Strahler eine breitere Wärmeverteilung erzeugt, während der Halogenstrahler konzentriertere Wärme abgibt, genau so, wie es das Wiensche Verschiebungsgesetz und die Strahlungsphysik voraussagen. Drittens, und das ist für den Komfortwärmebereich entscheidend, kamen die Forscher zu dem Schluss, dass längere Wellenlängen die Energie effektiver an der Oberfläche binden, weil die Absorption in diesem Spektralbereich höher ist.
Eine weitere Beobachtung verdient Aufmerksamkeit: Bei einem Abstand von nur 1,0 Meter stieg die Oberflächentemperatur des Rotorblatts so stark an, dass Überhitzung drohte. Bei 1,5 Metern dagegen wurde eine gleichmäßige Wärmeverteilung ohne Überhitzung erreicht. Für den Anwender lässt sich daraus eine praktische Schlussfolgerung ziehen: Der Abstand zwischen einem Infrarotstrahler und den Personen darunter ist keine Nebensächlichkeit. Eine korrekt positionierte Einheit auf der richtigen Montagehöhe liefert gleichmäßigen Komfort ohne lokale Hitzepunkte.
Die Studie stellte außerdem einen interessanten Unterschied zwischen den beiden Wellenlängen bei verschiedenen Eisarten fest. Der IR-X-Strahler bei 2,4 Mikrometern war effektiver gegen leichten Schnee und Reifeis, weil diese porösen Eiskristalle viel Luft und weniger dicht gepacktes Wasser enthalten. Der Halogenstrahler bei 1,4 Mikrometern schnitt etwas besser gegen klares Blankeis ab, das eine andere optische Struktur aufweist. Die Kombination beider Typen erzielte die beste Gesamtleistung, da die zwei Wellenlängen unterschiedliche Kristallstrukturen abdeckten. Es ist eine ingenieurstechnisch elegante Lösung, die auf einem fundierten Verständnis der Wellenlängenphysik beruht.
Der abschließende Befund der Forscher in der Publikation ist bemerkenswert: Eine Kombination aus zwei Infrarotstrahlern mit unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt ein breiteres Spektrum und damit eine wirksamere Enteisung als eine Konfiguration aus ausschließlich gleichartigen Strahlern. Für einen Komfort-Heizstrahler zur Nutzung auf der Terrasse lautet die Schlussfolgerung: Ein sorgfältig konstruierter Mittelwellenstrahler, der ein moderat breites Spektrum um 2,4 Mikrometer abgibt, ist die technisch ausgewogene Wahl. Nicht so schmalbandig, dass benachbarte Wellenlängen verfehlt werden; nicht so breitbandig, dass Energie auf Wellenlängen entfällt, die weder Haut noch Wasser effizient absorbieren.
Praktische Auswahl
Infrarotheizung in der Praxis: So lesen Sie eine Produktspezifikation
Wer einen Infrarot-Heizstrahler kaufen möchte, findet die Wellenlänge im Marketing selten an erster Stelle, obwohl sie das entscheidende Kriterium ist. Das folgende Bewertungsschema orientiert sich an der Physik, die in den vorangegangenen Abschnitten beschrieben wurde.
Suchen Sie zunächst nach einer Angabe zum Spektrummaximum oder zur dominanten Wellenlänge. Ein Hersteller, der seine Technologie beherrscht und transparent kommuniziert, gibt an, dass sein Strahler ein Emissionsmaximum im IR-B-Bereich aufweist, idealerweise mit einem genauen Wert in Mikrometern. Nennt die Spezifikation lediglich die Wattzahl oder verwendet vage Formulierungen wie „wohltuende Wärme“ oder „tiefenwirksam“, lässt sich das Produkt technisch kaum bewerten. Das muss kein Ausschlusskriterium sein, liefert aber keine belastbare Grundlage für eine informierte Entscheidung.
Prüfen Sie zweitens die Strahlungsquelle. Halogen- und Kurzwellen-Quarzrohr-Strahler arbeiten im IR-A-Band mit einem Peak zwischen 1,0 und 1,4 Mikrometern. Sie kommen dort zum Einsatz, wo dicke Materialien schnell erwärmt werden müssen oder wo extreme Windexposition eine hohe Leistungsdichte gegenüber der Absorptionsqualität in den Vordergrund rückt. Kohlenstoff- und NiCr-basierte Heizelemente arbeiten im Mittelwellenbereich um 2,0 bis 2,5 Mikrometer und sind auf Komfort ausgelegt, mit dem Schwerpunkt auf der Hautabsorption und dauerhafter Behaglichkeit. Keramik- und FIR-Panels arbeiten im Langwellenbereich oberhalb von 3 Mikrometern und eignen sich für den Innenbereich, wo weder Wind noch große Volumenverluste eine Rolle spielen.
Achten Sie drittens auf das System rund um das Heizelement. Geometrie, Material und Oberflächenbehandlung des Reflektors bestimmen, wie viel der abgegebenen Energie tatsächlich zum Nutzer gelangt und wie viel seitlich oder nach oben verloren geht. Ein technisch optimales IR-B-Element mit einem schlecht konstruierten Reflektor liefert geringeren Komfort als ein durchdachtes Gesamtsystem mit demselben Element. Opranic entwickelt seit mehr als 20 Jahren Heizelement, Reflektor, Gehäuse und Elektronik als aufeinander abgestimmte Einheit.
Berücksichtigen Sie außerdem die Einsatzumgebung. Für vergleichsweise geschützte Terrassen, Restaurantbereiche und private Außenanlagen ist ein Mittelwellen-IR-B-Strahler nahezu immer die beste Wahl, sowohl für den Komfort als auch für die langfristige Hautverträglichkeit. Für stark windexponierte, industriell geprägte Umgebungen mit kurzen Aufenthaltszeiten, etwa in Hafenanlagen oder an offenen Bahnsteigen, kann Kurzwellentechnologie wegen ihrer hohen Leistungsdichte mitunter eine sachlich begründete Wahl sein. In diesem Fall sollte man sich bewusst sein, dass die Strahlung die Haut stärker belastet und dass ein dauerhafter Aufenthalt direkt unter dem Strahler nicht empfehlenswert ist.
Lassen Sie schließlich den Preis nicht als alleiniges Entscheidungskriterium gelten. Ein Strahler, der physikalisch im falschen Wellenlängenband arbeitet, wird unabhängig von seinem Preis nie denselben Komfort erzeugen, so wie ein UKW-Radio niemals Langwellensendungen empfangen wird, egal wie weit man den Lautstärkeregler dreht. Die Physik setzt die Grenzen, und die Physik der Infrarotstrahlung ist seit mehr als hundert Jahren gesichert bekannt. Es lohnt sich, ein Produkt zu wählen, das von Anfang an auf dieser Grundlage konstruiert wurde.
Wer verstehen möchte, wie die Wellenlänge die Effizienz in der Praxis beeinflusst, findet weiterführende Informationen zu den Grundprinzipien der Opranic-Technologie, zum Kaufratgeber für Infrarotstrahler outdoor sowie zur Integration des IR-X Carbon Black in den PRO V70.