Infrarotstrahler Funktion

Forscher und Ingenieure unterteilen den Infrarotbereich in drei Hauptbänder, um sinnvoll darüber sprechen zu können. Die Einteilung folgt internationalen Normen und hat einen praktischen Hintergrund: Die Strahlung in jedem Band verhält sich unterschiedlich, wenn sie auf menschliches Gewebe und verschiedene Materialien trifft.

Kurzwelliges Infrarot, bezeichnet als IR-A oder Near-Infrared, umfasst Wellenlängen von 0,78 bis 1,4 Mikrometern. Es wird von sehr heißen Strahlungsquellen mit Oberflächentemperaturen über 1.700 Grad Celsius erzeugt. Die Sonne ist das natürliche Beispiel — etwa 30 Prozent der Sonnenenergie, die die Erdoberfläche erreicht, liegen im IR-A-Band. Industrielle Halogenlampen und Kurzwellenstrahler mit glühendem Wolframdraht arbeiten ebenfalls in diesem Bereich. IR-A dringt relativ tief in die Haut ein, mehrere Millimeter, was bei hohen Dosen die tieferen Hautschichten belasten kann. Es muss gesagt werden, dass die natürliche IR-A der Sonne Teil einer ausgewogenen Sonnenexposition ist und bei normalen Dosen nicht als schädlich gilt, und es gibt Forschung, die darauf hinweist, dass natürliche IR-A sogar positive Effekte auf die Haut haben kann. Jedoch zeigen mehrere Studien, dass künstliche Kurzwellenquellen mit hoher Intensität auf kurze Distanz, etwa Halogenheizer einen halben Meter vom Gesicht entfernt, oxidativen Stress in der Haut anders verursachen können als ein ausgewogener Mittelwellenstrahler.

Mittelwelliges Infrarot, IR-B oder Mid-Infrared, liegt zwischen 1,4 und 3 Mikrometern. Es ist ein großer und zentraler Bereich, der von Strahlungsquellen mit Oberflächentemperaturen zwischen etwa 600 und 1.700 Grad Celsius erzeugt wird. Opranics IR-X Carbon Black-Element arbeitet in diesem Band mit seinem Spektralmaximum bei 2,4 Mikrometern. IR-B ist das Wellenlängenband, das am häufigsten als optimaler Bereich für Komfortwärme bezeichnet wird: Die Strahlung wird in den äußeren Millimetern der Haut absorbiert, genau dort, wo die Wärmerezeptoren sitzen, und erzeugt ein weiches, gleichmäßiges und gesundes Wärmeempfinden. Die Saunaindustrie nutzt angrenzende Wellenlängen in IR-B und IR-C für Infrarotkabinen, wo die langen Wärmesitzungen medizinisch anerkannt und mit Wohlbefinden verbunden sind.

Langwelliges Infrarot, IR-C oder Far-Infrared, reicht von 3 Mikrometern bis zu 1.000 Mikrometern und wird von kälteren Quellen erzeugt — von beheizten Keramikpaneelen bis hin zu raumtemperierten Objekten. Wenn Sie vor einem wandmontierten Infrarot-Heizpaneel stehen, das angenehm warm zu berühren ist, strahlt es IR-C ab. Ihr eigener Körper gibt IR-C zentriert um 9 bis 10 Mikrometer ab. Langwelliges Infrarot wird nahezu ausschließlich in den allerobersten Hautschichten absorbiert und vermittelt eine sanfte, oberflächliche Wärme, die im Innenbereich sehr angenehm ist, wo es keinen Wind und keine großen Volumenverluste gibt.

Drei Bänder, drei Charaktere. Die Einteilung ist in der Praxis eher eine Konvention als eine scharfe physikalische Grenze. Die Norm ISO 20473 setzt die Grenze zwischen IR-A und IR-B bei 1,4 Mikrometern und zwischen IR-B und IR-C bei 3 Mikrometern. Andere Klassifizierungen, wie das CIE-System, verwenden ähnliche, aber nicht identische Werte. Der Unterschied zwischen diesen Systemen ist für eine Diskussion über Komfortwärme vernachlässigbar, und alle weisen auf dieselbe Grundwahrheit hin: Der Mittelbereich um 2 bis 3 Mikrometer ist der, bei dem die Strahlung optimal auf den Menschen trifft.

Wenn ein Infrarotstrahl auf die Haut trifft, geschehen drei Dinge gleichzeitig: Ein Teil wird in den Raum zurückreflektiert, ein Teil dringt tief in das Gewebe ein, und ein Teil wird absorbiert. Wie diese Verteilung aussieht, hängt ausschließlich von der Wellenlänge der Strahlung ab. Hier bekommt die Wahl der Technik ihre praktische Bedeutung für jemanden, der an einem Herbstabend warm auf der Terrasse sitzen möchte.

Die äußerste Schicht der Haut, das Stratum corneum, ist etwa 10 bis 20 Mikrometer dick und besteht größtenteils aus toten Keratinzellen und Lipiden. Darunter liegt die Epidermis, etwa 100 Mikrometer dick, und darunter die Dermis mit Blutgefäßen, Nervenendigungen und den wärmeempfindlichen Rezeptoren. Damit die Strahlung ein angenehmes Wärmeempfinden erzeugt, muss sie in der richtigen Tiefe absorbiert werden — tief genug, um die Dermis zu erreichen, wo die Rezeptoren sitzen, aber nicht so tief, dass sie einfach hindurchgeht, ohne etwas zu erwärmen.

Kurzwellige IR-A zwischen 0,8 und 1,4 Mikrometern hat eine hohe Transmission durch die Haut. Ein erheblicher Teil der Strahlung geht direkt durch die Epidermis hindurch und kann mehrere Millimeter in Dermis und Subkutis eindringen. Gleichzeitig reflektiert die Haut bis zu der Hälfte der kurzwelligen Strahlung zurück in die Luft. Die Nettoenergieübertragung pro einfallendem Watt ist damit für Komfortwärme weniger effektiv, obwohl die Strahlung physikalisch in den Körper eindringt. Gerade diese tiefe Penetration kann bei hohen Dosen aus künstlichen Quellen unangenehm sein. Die Strahlung erreicht Schichten unter der Haut, wo sie Wärme erzeugt, ohne die oberflächlichen Wärmerezeptoren direkt zu aktivieren.

Mittelwellige IR-B um 2 bis 3 Mikrometer verhält sich anders. Die Reflexion der Haut ist in diesem Bereich deutlich niedriger, und die Absorption ist in den obersten Hautschichten hoch — genau dort, wo die Wärmerezeptoren am dichtesten sitzen. Die Strahlung überlebt nicht tiefer als etwa 1 Millimeter in die Haut, aber genau dort soll sie aufgenommen werden, um ein angenehmes Wärmegefühl zu erzeugen, ohne dass es auf der Oberfläche brennt. Die Blutzirkulation verteilt die Wärme dann auf natürliche Weise weiter im Körper.

Langwellige IR-C über 3 Mikrometer wird nahezu vollständig in den allerobersten Hautschichten absorbiert, oft innerhalb von weniger als 0,1 Millimeter. Das gibt ein Gefühl oberflächlicher Wärme, das im Innenbereich sehr angenehm ist, aber draußen ist die Intensität langwelliger Quellen meist zu gering, um gegen Wind und Kälte eine spürbare Komfortwirkung zu erzielen.

Eine interessante Parallele gibt es zum Bereich der Lichttherapie und Photobiomodulation, oft als „Infrarot-Massage“ oder „Rotlicht-Therapie“ vermarktet. Diese Behandlungen arbeiten jedoch in ganz anderen Wellenlängen, typischerweise 630 bis 850 Nanometer, was im äußersten roten Bereich und im allerkürzesten Teil von IR-A liegt, mit sehr geringen Leistungen. Der Zweck ist zellbiologische Stimulation in den Mitochondrien, keine Wärmeübertragung. Es handelt sich also um eine ganz andere Anwendung als Komfortwärme, und die Opranic IR-X Carbon Black-Technologie sollte damit nicht verwechselt werden. Das zeigt jedoch, dass Infrarotstrahlung aus verschiedenen Wellenlängenbändern in medizinisch anerkannten Zusammenhängen eingesetzt wird. IR-B wird beispielsweise in der Physiotherapie, in Infrarotkabinen und in medizinisch zugelassenen Wärmequellen für Neugeborene verwendet. Infrarotstrahlung ist keine exotische Technik, sondern eine etablierte Wärmequelle mit bekanntem und sicherem Profil. Mehr Hintergrund zur Stellung der Strahlung im Spektrum finden Sie bei Britannica.

Ein häufiges Missverständnis ist, dass Infrarotstrahlung an sich Wärme sei, die durch den Raum reist. Die Strahlung ist elektromagnetische Energie, die sich als Wellen ausbreitet, und Wärme entsteht erst, wenn die Energie von Materie absorbiert und in molekulare Bewegung umgewandelt wird. Dieser Unterschied ist die Grundlage der gesamten Strahlungstechnik und erklärt, warum sie sich so anders verhält als die Konvektionsheizung.

Alle Moleküle bestehen aus Atomen, die durch chemische Bindungen zusammengehalten werden. Diese Bindungen lassen sich als kleine Federn beschreiben, und die Atome können um ihre Gleichgewichtslagen schwingen. Jedes Molekül hat spezifische Schwingungsfrequenzen, die für seine Struktur charakteristisch sind. Wenn eine elektromagnetische Welle mit einer Frequenz, die einer natürlichen Schwingungsfrequenz eines Moleküls entspricht, auf das Molekül trifft, wird die Energie resonant übertragen und das Molekül schwingt stärker. Dieser Vorgang heißt Schwingungsresonanz, und er verwandelt Infrarotstrahlung in Wärme.

Das Wassermolekül H2O hat drei wesentliche Schwingungsmoden: symmetrische Streckung, asymmetrische Streckung und Biegung des Bindungswinkels zwischen Wasserstoff und Sauerstoff. Diese Moden haben Resonanzfrequenzen, die Wellenlängen um 2,7, 2,9 und 6,3 Mikrometer entsprechen. Das ist der Grund, warum Wasser im 2- bis 3-Mikrometer-Band so stark absorbiert. Die Infrarotwellen treffen die eigenen Schwingungen der Moleküle, und die Energie wird effektiv übertragen. Wenn das Wassermolekül stärker schwingt, ist genau dies, was eine höhere Temperatur definiert. Die Energie ist von einem elektromagnetischen Zustand in Wärmeenergie im Gewebe übergegangen.

Das erklärt auch, warum Infrarotstrahlung eine Fläche erwärmen kann, ohne die Luft dazwischen zu erwärmen. Die Hauptbestandteile der Luft, Stickstoff und Sauerstoff, sind sogenannte homonukleare Moleküle, die sehr wenige Schwingungsmoden haben, die mit dem Infrarotspektrum übereinstimmen. Stickstoff absorbiert fast nichts in dem Band, in dem Komfortstrahler arbeiten. Die Strahlung passiert also die Luft ohne nennenswerte Verluste, bis sie auf eine wasserhaltige Oberfläche trifft — einen Menschen, eine Pflanze, einen Holzboden — wo sie absorbiert und zu Wärme wird.

Eine elegante Konsequenz ist, dass die Luft zwischen dem Heizstrahler und Ihnen relativ kalt bleibt, auch wenn die Wärme im Strahlungsfeld angenehm ist. Hier ist allerdings eine wichtige praktische Nuancierung nötig. Die Infrarotstrahlung selbst wird bei Wind nicht weggeblasen, da sie sich unabhängig von Luftbewegungen in geraden Linien ausbreitet. Aber die Haut verliert gleichzeitig Wärme über Konvektion an die Umgebung, und der konvektive Verlust steigt stark mit der Windgeschwindigkeit — dasselbe Prinzip, das einen windigen Tag viel kälter wirken lässt als einen stillen Tag bei gleicher Lufttemperatur. An einem windigen Tag muss man also mit höherer Strahlungsintensität oder kürzerem Abstand kompensieren, nicht weil die Strahlung selbst schlechter wird, sondern weil der Körper mehr Wärme an die bewegte Luft abgibt. Das ist ein großer Unterschied zu Konvektionsheizern, die bei Wind praktisch nutzlos werden. Ein gut platzierter IR-B-Strahler liefert auch bei Wind Wärme, er muss nur etwas mehr Energie zuführen, um die verstärkte Hautabkühlung auszugleichen.

Kohlendioxid und Wasserdampf in der Luft machen einen kleinen Unterschied. Diese Moleküle haben Schwingungsmoden im Infrarotbereich und absorbieren gewisse Teile des Spektrums. Das ist der Grund, warum die Atmosphäre überhaupt einen Treibhauseffekt hat. Aber für die Entfernungen, um die es auf einer Terrasse geht — ein paar Meter — ist diese Absorption völlig vernachlässigbar. Die Strahlung erreicht Sie in der Praxis unverändert.

Im April 2019 wurde an der Technischen Universität Luleå in Zusammenarbeit mit der Forschungs- und Entwicklungsabteilung von Vattenfall eine unabhängige experimentelle Studie durchgeführt. Ziel war zu untersuchen, ob Infrarotstrahlung zur Enteisung von Windkraftblättern unter arktischen Bedingungen eingesetzt werden kann — ein Problem, das die skandinavische Windkraftbranche jeden Winter erhebliche Produktionsverluste kostet. Opranic lieferte die Strahlungsquellen für die Studie: zwei spezifische Typen, IR-X-Strahler mit Spektralmaximum bei 2,4 Mikrometern und Halogenstrahler mit Spektralmaximum bei 1,4 Mikrometern.

Die Studie wurde im Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics veröffentlicht und ist als peer-reviewed Forschung frei zugänglich. Die Tests wurden in Klimakammern der Arctic Falls-Anlage in Piteå durchgeführt, wo die Umgebungstemperatur zwischen 0 und minus 30 Grad Celsius kontrolliert werden konnte. Die Blätter wurden mit Hilfe von Schneemaschinen mit weichem Raureif überzogen und anschließend mit verschiedenen Kombinationen von IR-Strahlern auf 1,0 und 1,5 Meter Abstand aufgewärmt.

Die Ergebnisse sind technisch interessant und bestätigen mehrere Dinge, auf denen Opranic seit über 20 Jahren seine Produkte aufbaut. Erstens zeigte die Studie, dass die Kombination aus IR-X und Halogen auf 1,5 Meter Abstand das effektivste Enteisungsergebnis lieferte, mit einer Schmelzgeschwindigkeit von 0,20 Kilogramm Eis pro Minute. Die Kombination nur mit IR-X auf demselben Abstand schmolz 0,13 Kilogramm pro Minute. Zweitens zeigte die Studie, dass der IR-X-Strahler eine breitere Wärmeverteilung liefert, während Halogen konzentriertere Wärme liefert — genau wie das Wiensche Gesetz und die Strahlungsphysik vorhersagen. Drittens, und das ist entscheidend für die Komfortwärme-Seite, kamen die Forscher zu dem Schluss, dass längere Wellenlängen effektiver sind, um die Energie in der Oberfläche festzuhalten, da die Absorption in diesem Spektrum höher ist.

Eine zusätzliche Beobachtung: Wenn der Abstand zu kurz war, 1,0 Meter, wurde die Oberflächentemperatur des Blatts so hoch, dass Überhitzung drohte. Auf 1,5 Meter wurde eine gleichmäßige Wärmeverteilung ohne Überhitzung erreicht. Das ist auch für Verbraucher eine lehrreiche Erkenntnis: Der Abstand von einem IR-Strahler zu den Personen darunter spielt eine Rolle, und ein gut platziertes Gerät in der richtigen Höhe liefert gleichmäßigen Komfort ohne heiße Stellen.

Die Studie stellte auch einen interessanten Unterschied zwischen den beiden Wellenlängen gegenüber verschiedenen Eistypen fest. Der IR-X-Strahler bei 2,4 Mikrometern war effektiver gegen leichten Schnee und Raureif, da diese porösen Eiskristalle viel Luft und weniger dicht gepacktes Wasser enthalten. Der Halogenstrahler bei 1,4 Mikrometern war etwas besser gegen klares Glatteis, das eine andere optische Struktur hat. Die Kombination beider lieferte die beste Gesamtleistung, da die zwei Wellenlängen unterschiedliche Eiskristalle abdeckten. Es ist eine ingenieurtechnisch elegante Lösung, die auf dem Verständnis der Rolle der Wellenlänge beruht.

Das Schlusswort der Forscher in der Publikation ist es wert, hervorgehoben zu werden: Eine Kombination aus zwei Arten von Infrarotstrahlern mit unterschiedlichen Wellenlängen ergibt ein breiteres Spektrum und damit eine effektivere Enteisung, was eine Kombination aus nur demselben Typ übertraf. Für einen Komfortstrahler für die Terrasse lautet die Schlussfolgerung, dass ein gut konstruierter Mittelwellenstrahler, der ein moderat breites Spektrum um 2,4 Mikrometer liefert, eine technisch ausgewogene Wahl ist — nicht so schmal, dass er umliegende Wellenlängen verpasst, nicht so breit, dass Energie auf Wellenlängen verschwendet wird, bei denen Haut und Wasser nicht effektiv absorbieren.

Wenn Sie vor dem Kauf eines Infrarotstrahlers für den Außenbereich stehen, wird die Wellenlänge selten als Erstes vermarktet, ist aber das Wichtigste, worauf man achten sollte. Hier ist ein Rahmen, der auf der Physik basiert, die wir durchgegangen sind.

Erstens: Suchen Sie nach Angaben zum Spektralmaximum oder zur dominanten Wellenlänge. Ein Hersteller, der seine Technik kennt und transparent damit umgeht, spezifiziert, dass der Strahler sein Spektralmaximum in IR-B hat, gerne mit einer genauen Zahl in Mikrometern. Wenn die Spezifikation stattdessen nur die Leistung in Watt nennt oder vage Begriffe wie „warme Wärme“ oder „Tiefenwärme“ verwendet, ist es schwer, das Produkt technisch zu bewerten. Das muss kein Warnsignal sein, liefert aber keine Daten, auf die sich eine informierte Entscheidung stützen ließe.

Zweitens: Prüfen Sie die Strahlungsquelle. Halogen- und Kurzwellen-Quarzröhren arbeiten im IR-A-Band mit Peak um 1,0 bis 1,4 Mikrometer. Sie werden eingesetzt, wo schnelle Erwärmung dicker Materialien benötigt wird, oder in extrem windexponierten Umgebungen, in denen reine Leistungsdichte die Absorptionsqualität dominiert. Karbon- und NiCr-basierte Strahlungselemente arbeiten in der Mittelwelle um 2,0 bis 2,5 Mikrometer und sind für Komfort konstruiert, mit Fokus auf die Hautabsorption und langfristige Annehmlichkeit. Keramische und FIR-Paneele arbeiten in der Langwelle über 3 Mikrometer und passen in Innenräume, wo Wind und große Volumenverluste kein Faktor sind.

Drittens: Denken Sie an das System um das Strahlungselement herum. Die Geometrie, das Material und die Oberflächenbehandlung des Reflektors entscheiden, wie viel der Energie tatsächlich auf Sie gerichtet wird und wie viel seitlich und nach oben verloren geht. Ein perfektes IR-B-Element mit schlechtem Reflektor liefert schlechteren Komfort als ein gut konstruiertes System mit demselben Element. Opranic entwickelt seit mehr als 20 Jahren dieses Ganze — Strahlungselement, Reflektor, Gehäuse und Elektronik — zusammen.

Denken Sie auch an die Einsatzumgebung. Für relativ geschützte Terrassen, Restaurants und Hausgärten ist ein mittelwelliger IR-B-Strahler fast immer die beste Wahl, sowohl für Komfort als auch für Hautgesundheit auf Dauer. Für extrem windexponierte industriell geprägte Umgebungen mit kurzen Expositionszeiten, wie Häfen oder offene Bahnsteige, kann die Kurzwellentechnik dank ihrer reinen Leistungsdichte gelegentlich eine legitime Wahl sein, aber dann sollte man sich bewusst sein, dass die Strahlung für die Haut belastender ist und dass man nicht über längere Zeit direkt darunter sitzen sollte.

Schließlich: Lassen Sie einen niedrigen Preis nicht allein entscheiden. Ein Strahler, der physikalisch im falschen Wellenlängenband arbeitet, wird nie denselben Komfort liefern, egal wie günstig er ist — genauso wie ein UKW-Radio nie Langwellensendungen empfangen kann, egal wie laut man es aufdreht. Die Physik setzt die Grenzen, und die Physik der Infrarotstrahlung ist seit über hundert Jahren gut bekannt. Es lohnt sich, ein Produkt zu wählen, das mit diesem Wissen als Grundlage entwickelt wurde.

Wenn Sie verstehen möchten, wie die Wellenlänge die Effizienz in der Praxis beeinflusst, lesen Sie mehr über die Grundprinzipien der Opranic-Technik, sehen Sie unsere Kaufberatung für Infrarotstrahler für die Terrasse, oder wie IR-X Carbon Black in den PRO V70 integriert ist.