Verdunstungsprinzip bei Luftbefeuchtern

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Sir Arthur Clarke (1917 – 2008; britischer Schriftsteller und Physiker) beschrieb in seinen Romanen drei wissenschaftliche Grundprinzipien, von denen sich vor allem dieses ins kollektive Gedächtnis der Science-Fiction-Literatur eingrub: “Jede hinreichend fortgeschrittene Technologie ist von Magie nicht mehr zu unterscheiden.” Der Gedanke stellt sich unter anderem beim modernen Luftbefeuchter ein, der Wasser ohne Heizfunktion verdunsten lässt. Wie ist das möglich? Wir erklären das Verdunstungsprinzip bei Luftbefeuchtern.

Die Maxwell-Boltzmann-Verteilung – Wegbereiter der Moderne

Um der Frage nach dem Verdunstungsprinzip allgemein und bei elektrischen Luftbefeuchtern auf den Grund zu gehen, muss etwas weiter ausgeholt werden. Hierbei ist zunächst der erste Hauptsatz der Thermodynamik von Belang: Da Energie nicht verbraucht, sondern nur umgewandelt werden kann, bleibt die Gesamtenergie in geschlossenen Systemen konstant.

James Maxwell entwickelte daraus 1866 in Cambridge die “kinetische Gastheorie”, der zufolge chemische Elemente in geschlossenen Systemen unabhängig von der Temperatur immer zwei Aggregatzustände annehmen. Die Aufteilung zwischen Feststoffen und Flüssigkeiten bzw. Flüssigkeiten und Gas, wird demnach ausschließlich vom vorherrschenden Druck bestimmt. Die Zugehörigkeit der Partikel zu den jeweiligen Aggregatzuständen ist wiederum von ihrer kinetischen Energie (Geschwindigkeit) geprägt: Langsame Gas-Partikel sinken herab, verflüssigen sich und verlieren dabei zusätzlich an Energie, die sie an ihre Umgebung übertragen. Erreicht eines der Partikel dann die notwendige Fluchtgeschwindigkeit, um den Anziehungskräften der Flüssigkeit zu entkommen, geht es in den gasförmigen Zustand über. So entsteht eine gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung im System, die in Abhängigkeit von der Temperatur erhöht und verringert werden kann.

Der österreichische Physiker Ludwig Boltzmann steuerte letztlich die mathematischen Fachkenntnisse bei, um Maxwells Forschungsergebnisse in übersichtlichen Kurvendiagrammen zusammenzufassen.

Natürliche Verdunstung

Maxwell und Boltzmann verdeutlichten ihre Überlegungen am nur zu bekannten Übergang von Wasser zu Luft, also dem sogenannten “Verdunstungsprinzip”: So kann feuchte Wäsche selbst bei Temperaturen von 20 °C an der Luft trocknen, da der Verteilungskurve zufolge noch immer genügend Wassermoleküle die erforderliche Fluchtgeschwindigkeit erzielen, um sich aus dem Flüssigkeitsverbund zu lösen.

Sinkt nun der atmosphärische Druck oder steigt die Temperatur, beschleunigt sich der Prozess der Phasenumwandlung im Extremfall bis zum Siedepunkt. Das betrifft aber nur Laborbedingungen. So wirken innerhalb der Erdatmosphäre noch ganz andere Faktoren auf das Verdunstungsprinzip ein:

• Windstärke und -richtung
• Vegetation
• Oberflächenbeschaffenheit
• UV-Einstrahlung
• Wassergehalt im Boden und der Luft

Aufgrund der zahlreichen Parameter ist es mit herkömmlichen Methoden quasi unmöglich, die natürliche Verdunstung direkt zu messen. So kommen vielmehr Formeln zum Einsatz, die die verschiedenen Einflussfaktoren miteinbeziehen, um sich dem Verdunstungsprinzip mathematisch anzunähern. Schließlich nutzen die besten wissenschaftlichen Erkenntnisse herzlich wenig, wenn man sie in der Praxis nicht gewinnbringend umsetzen kann.

Das Verdunstungsprinzip in der praktischen Anwendung

Damit betreten wir die heimische Wohnung und dessen Bedarf nach Luftbefeuchtung. Das trifft zunächst in den Wintermonaten zu, wenn die Luft durch fortwährendes Heizen massive Feuchtigkeitsverluste erfährt. Um dem entgegenzuwirken, gelangten findige Eigenheimbesitzer schon früh zur Erkenntnis, dass die Heizkörper die von ihnen ausgelösten Schwierigkeiten auch wieder lindern können.

Dazu wurden Kunststoff- oder Keramikbehälter am Konvektor befestigt, in denen sich ein simpler Wassertank befand. Mit steigender Wärme wurde so zunehmend Wasserdampf freigesetzt, wobei die Gefahr der Überfeuchtung ausgeschlossen war, da die Luft nur so viel Feuchtigkeit aufnehmen kann, bis sie gesättigt ist. Man bastelte sich also sozusagen einen stromlosen Verdunster, der aufgrund der heutigen Energiepreise aber nicht mehr zeitgemäß ist. So tendieren die Deutschen inzwischen dazu, Aquarien, Miniatur-Springbrunnen für Innenräume und Zimmerpflanzen als alternative Luftbefeuchter einzusetzen.

Während der heißen Jahreszeit steht das Verdunstungsprinzip dagegen aus einem anderen Grund im Mittelpunkt des Interesses. Hierbei handelt es sich um die Kühlwirkung, die als Nebeneffekt der Partikelfluktuation auftritt: Die Wassermoleküle verdampfen in der Reihenfolge, in der sie kinetische Energie (also Wärme) gespeichert haben. Dem Wasser wird demnach fortwährend Wärme entzogen, weshalb es kühler als die Luft bleibt, selbst wenn es tagelang im Raum stehen sollte.

Daher eignet sich diese Art der Luftbefeuchtung ideal, um die Arbeitsweise menschlicher Schweißdrüsen zu unterstützen. Schließlich nutzt unser Körper denselben Effekt, um seine Kerntemperatur aufrechtzuerhalten: Salziges Wasser tritt aus den Poren aus, entzieht den oberen Hautschichten Wärme, erhöht dadurch seine Partikelfluktuation und verdunstet.

Der elektrische Luftbefeuchter

Hierzu müssen jedoch vollständige Wassermoleküle in die Luft oder direkt auf die Haut transportiert werden, was beim elektrischen Verdunster nicht geschieht. Bei diesem Modell handelt es sich vielmehr um eine optimierte Variante der klassischen Verdunstung am Heizkörper: Auch hier wird zunächst kaltes Leitungswasser bereitgestellt, das von einem Speichermedium aufgesaugt wird. Dies kann auf zwei Arten umgesetzt werden:

1. Filtermatten: Naturfasern werden in einer Bienenwabenstruktur angeordnet, um eine möglichst große Oberfläche zu erzielen. Sie verstärken das natürliche Verdunstungsprinzip um ein Vielfaches, verkeimen aber sehr schnell und müssen daher mindestens einmal pro Monat ausgetauscht werden.
2. Kunststofflamellen: Die Luftbefeuchtung wurde hier technisch realisiert, indem eine rotierende Scheibe (quasi ein kleines Wasserrad) winzige Mengen Wasser aufnimmt und in den Luftstrom transportiert. Sie müssen nur selten gereinigt werden, erhöhen aber die Leistungsaufnahme.

Wie schon angedeutet, ist der produzierte Luftstrom ein zentraler Bestandteil moderner Luftbefeuchter. Dazu werden gewöhnliche Ventilatoren eingesetzt, die häufig weniger als 50 Watt Leistung benötigen. Ihre Wirkungsweise ist so simpel wie effektiv und wurde dem beschleunigten Verdunstungsprinzip in der Atmosphäre nachempfunden: Stete Luftzirkulation verstärkt den natürlichen Effekt und verteilt die Feuchtigkeit gleichmäßig im Raum.

Über die Grundfunktionen hinaus kann die moderne Klimatechnik zudem mit Vorzügen aufwarten, die stromlosen Luftbefeuchtern augenscheinlich fehlen. Das betrifft zunächst Luftfilter, die heutzutage in den meisten Geräten verbaut sind. Sie sind vor dem Gebläse platziert und filtern Schimmelsporen, Miniorganismen und größere Staubpartikel aus dem angesaugten Luftstrom. Bei Dauerbetrieb müssen sie alle 2 Monate ausgetauscht werden, verbessern die Luftqualität aber erheblich. Abgesehen davon weist das Verdunstungsprinzip bei der Verwendung herkömmlichen Leitungswassers den Nachteil auf, dass Kalkrückstände zurückbleiben. Dieser Umstand begünstigt das Wachstum zahlreicher Krankheitserreger, sodass regelmäßig ein hoher Reinigungsaufwand entsteht. Die Klimabranche reagierte darauf, indem sie die Molekularstruktur des Kalks mithilfe einer Ionisierungspatrone direkt manipulierte oder Bakterienpopulationen mit UV-Licht bekämpft. Im hochwertigen Luftbefeuchter werden heutzutage daher eine oder gleich beide Methoden angewendet.

Die moderne Klimatechnik ist keineswegs Zauberei

Im Endeffekt zeigt die Entwicklung somit in selten klarer Weise, wie wissenschaftliche Grundlagenforschung unser Leben langfristig zum Positiven verändert: Maxwells und Boltzmanns Arbeit förderte erste Erkenntnisse der Quantenmechanik zutage und schuf die Voraussetzungen für die kommerzielle Nutzung der elektrischen Energie. Zwar fand das Verdunstungsprinzip zunächst stromlos den Weg in unsere Wohnbereiche, modernisierte sich jedoch im Laufe der Jahre und unterstützt heute im Luftbefeuchter die gesteigerten Ansprüche an die Qualität des Raumklimas.

Und wie es Sir Clark prophezeite, scheinen so manche Elemente der Technik magische Eigenschaften aufzuweisen. So verbraucht zum Beispiel der B 120 nur 25 Watt, kann damit aber die Luft in bis zu 130 m³ messenden Räumlichkeiten optimieren. Wenngleich vergangene Generationen schon damit in heilloses Erstaunen versetzt worden wären, hätte der B 500 Professional sämtliche Glaubenswächter auf den Plan gerufen. Schließlich wirkt dessen Ionisierungspatrone, die Kalkmoleküle mithilfe von Dauermagneten von deren Magnesium-Atomen trennt, noch immer futuristisch. Zukünftige Modelle werden die Grenze zwischen Technik und Zauberei demnach vollständig verschwinden lassen, obwohl auch sie weiterhin auf dem Verdunstungsprinzip basieren werden.