DE102021006035A1 - Am Kopf zu tragender UV-C- Strahlenschutz gegen Viren und anderen Krankheitserregern in der Atemluft - Google Patents

Abstract

Nach heutigem Wissensstand werden die Korona-Viren, Grippe-Viren und auch andere Krankheits-Erreger hauptsächlich durch die Aerosole in der Atemluft übertragen.Die Erfindung betrifft eine am Kopf zu tragende Vorrichtung (ähnlich einem Sonnenschutz-Schild einer Baseball-Kappe oder einer Stirnlampe) mit einer energiereichen UVC-Strahlungsquelle, die eine für den Menschen ungefährliche UV-Strahlung kegelförmig vor dem Gesicht des Trägers nach unten abstrahlt und so eine Art „Strahlenschutz-Vorhang“ vor dem Gesicht des Trägers bilden, um über Luft übertragende Viren und andere Krankheits-Erreger beim Ein- oder Ausatmen in weniger als 1 Sekunde zu töten.

Description

• 2. ZUSAMMENFASSUNG
• Die Erfindung betrifft eine am Kopf zu tragende Vorrichtung, die eine für den Menschen ungefährliche UVC-Strahlung kegelförmig vor dem Gesicht des Trägers nach unten abstrahlt, und so eine Art „Strahlenschutz-Vorhang“ vor dem Gesicht des Trägers bilden, um über Luft übertragende Viren und andere Krankheits-Erreger beim Ein- oder Ausatmen zu töten (6).
• Das Gerät kann auch vom Kopf abgenommen werden und zur Desinfektion von Gegenständen verwendet werden. Beispiele: Türklinken, PC-Tastaturen, Geldscheine, Essbesteck, Tische, Bücher, Smartphone, etc.
• 3. ANWENDUNGSGEBIET
• Mobiler UV-C-Strahlenschutzschild, der Krankheits-Erreger (wie z.B. Viren, Bakterien, Pilzsporen, etc.) in der Atemluft beim Ein- und Ausatmen zerstört, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.
• 4. STAND DER TECHNIK, NACHTEILE
• Zurzeit gibt es keine Möglichkeit, die Viren kurz vor dem Ein- oder Ausatmen zu zerstören. Mit einem „Strahlenvorhang“ aus (für Menschen ungefährlichem) UV-C-Licht vor dem Gesicht kann eine wirkungsvolle Desinfektion stattfinden.
• Die desinfizierende Wirkung von UV-C-Licht ist der Wissenschaft lange bekannt. Das kurzwellige Licht zerstört die DNA oder RNA von Krankheits-Erregern wie Bakterien, Viren, Schimmelpilz-Sporen u.ä.
• Die UV-C-Strahlung (280 nm - 100 nm) ist der kurzwelligste bzw. energiereichste Bereich der UV-Strahlung. Aufgrund der Photonenenergien von UV-C-Strahlung vermag diese durch Dissoziation direkt Strangbrüche in der DNS zu bewirken. Der Krankheits-Erreger kann sich nicht mehr vermehren und stirbt ab. Wegen dieser besonderen „Lebensfeindlichkeit“ wird technisch erzeugte UV-C-Strahlung zur Bakterientötung, Entkeimung, Sterilisierung usw. eingesetzt.
• Die Wirkung der UV-Strahlung auf den Menschen richtet sich generell nach dem sog. Bunsen-Roscoe-Gesetz (photochemisches Lichtmengengesetz).
• Demnach ist die Menge der Reaktionsprodukte einer photochemischen Reaktion proportional zum Produkt aus Bestrahlungsstärke [W/m²] (Leistungsdichte) und Bestrahlungsdauer [s], welche Dosis genannt wird (Ws/m² bzw. J/m²]
• Ausschlaggebend ist das Produkt der beiden Werte.
• Eine große Bestrahlungsstärke über kurze Zeit kann somit ähnliche Wirkung hervorrufen, wie eine geringere Bestrahlungsstärke über einen längeren Zeitraum.
• Wirkung der UV-C-Strahlung auf den Menschen
• Die 222-nm-Bestrahlung tötet Bakterien ab und inaktiviert Viren, ohne menschliche Zellen und Gewebe zu schädigen, und zwar unter Verwendung eines extrem engen UV-Spektrums mit Hilfe eines neu entwickelten Bandpass-Wellenlängenfilters. In Versuchen wurde in der Abteilung für Infektionskrankheiten der Universitätsklinik Hiroshima im September 2020 nachgewiesen, dass mit diesem System SARS-CoV-2, (das Coronavirus), das die COVID-19-Pandemie ausgelöst hat, zu inaktivieren, sowie alle Arten von anderen Supererregern wie MRSA, Influenza, MERS-CoV und auch tödlichen Viren wie etwa das Ebola-Virus, zu inaktivieren.
• Die Strahlung verändert in Sekunden das Erbgut lebender Organismen, indem sie die Moleküle zerstört, aus denen sich die DNA und RNA ihrer Zellen zusammensetzen. Durch die katastrophale Zerstörung ihrer Zellwände sind diese Organismen nicht mehr in der Lage, sich zu vermehren oder andere Organismen zu infizieren.
• Die Ungefährlichkeit dieser verwendeten Strahlung für den Menschen wurde auch von mehreren Forschungs-Einrichtungen in Deutschland nachgewiesen.
• Prof. Dr. Michael Kneissl, Leiter des Fachgebiets Experimentelle Nanophysik & Photonik an der TU Berlin:
• „Es gibt inzwischen eine Reihe von Studien, die dokumentieren, dass das kurzwelligere UVC-Licht der Wellenlänge um 230 nm aufgrund der hohen Absorption der äußeren Hautschichten nicht in die lebenden Schichten der menschlichen Haut eindringt und damit dort auch keine Schäden an der DNA anrichtet“.
• In dem VIMRE-Projekt (Verhinderung der Infektion mit Multi-Resistenten Erregern über In-vivo-UVC-Bestrahlung) unter der Leitung von Prof. Dr. Kneissl sind auch die Klinik für Dermatologie der Charite Berlin sowie das Institut für Hygiene und Umweltmedizin der Universitätsmedizin Greifswald beteiligt. Die beiden medizinischen Partner testen die UVC-Quellen aktuell (Okt. 2020) unter anderem an Gewebeproben und Hautmodellen, in Bezug auf die notwendige Dosis und die Unschädlichkeit für die tieferen Hautschichten.
• EXCIMER-TECHNOLOGIE
• Excimer-Strahlung wird durch eine mit Edelgas gefüllte VUV-Lampe (Vakuum-Ultraviolett) erzeugt. Wenn hochenergetische Elektronen von außen in die abgedichtete Lampe eintreten, entsteht eine starke Plasmaentladung (auch als stille elektrische Entladung oder dielektrische Barriere-Entladung bezeichnet).
• Das generierte Plasma enthält nun hochenergetische Elektronen. Das Plasma induziert die atomare Anregung des Edelgases in der Lampe, und dadurch kommt es zur Bildung von Excimeren (angeregten Dimeren). Excimere treten auf, wenn hochenergetische Orbitalatome angeregte molekulare Paare bilden. In einer Xenon-Excimer-Lampe bilden hochenergetische Xenon-Atome (Xe-Atome) angeregte Xe₂-Moleküle.
• Als Endphase der Reaktion folgt die VUV-Emission (UV-C Strahlung). Diese Phase ist abgeschlossen, wenn die Excimer-Moleküle dissoziieren und innerhalb von Nanosekunden wieder in ihren ursprünglichen Zustand (Grundzustand) zurückkehren, wodurch sie die Emission des excimer-spezifischen Lichtspektrums auslösen.
• 5. AUFGABE DER ERFINDUNG
• Eine Hauptursache für die hohe Ansteckungsrate von z.B. Grippe- oder SARS-CoV-2-Viren geschieht nach heutigem Erkenntnisstand über die Atemluft von infizierten Personen. Durch das Tragen eines Mundschutzes wird lediglich verhindert, dass die ausgeatmete Atemluft-Wolke sich nach vorne ausbreitet und so den unmittelbaren Nachbar anstecken könnte. Die Ausbreitungs-Geschwindigkeit der ausgeatmeten Aerosol-Wolke beträgt ohne Mundschutz im Durchschnitt ca. 0,5 m/Sek., bei Niesen oder Husten bis zu 2 m/Sek.
• 5.1 AUSBREITUNG DER VIREN
• Wenn ein Corona-Patient hustet, spricht oder niest, wird ein Strahl an unterschiedlich großen Tröpfchen und Aerosolen erzeugt, der in die Raumluft eindringt und sich dort ausbreitet. Alle diese unterschiedlich großen Tröpfchen und Aerosole enthalten potenziell Viren. Wie diese Partikel sich verhalten, ob und wann sie zu Boden sinken, wie weit sie sich verteilen, in der Luft stehen bleiben oder wo sie sedimentieren; ist ein Forschungsthema von Prof. Dr. Martin Kriegel, Leiter des Hermann-Rietschel-Instituts an der TU Berlin.
• Die Partikelgröße reicht dabei von wenigen Nanometern - also einem Millionstel Millimeter - bis zu mehreren Mikrometern.
• Prof. Dr. Kriegel: „Für das Corona-Virus scheint sich herauszustellen, dass sowohl Tröpfchen-Infektionen als auch die luftgetragene Übertragung über Aerosole, relevant sind“. Bei einer Tröpfcheninfektion gelangen die Viruspartikel in einem Speichel- Tröpfchen direkt auf die Schleimhäute eines anderen Menschen. Bei einer luftgetragenen Übertragung gelangen die Viren - gebunden in kleinsten flüssigen Partikeln - in die Atemwege. Für das Verhalten von Viren in der Luft ist die Größe der Träger-Aerosole entscheidend, aber ebenso das Raumklima, die Luftwechselrate und die Art und Weise, wie gelüftet wird. „Größere Partikel sinken schneller zu Boden. Kleinere Partikel folgen dem Luftstrom und können lange (Minuten) in der Luft verbleiben“, so Martin Kriegel.
• Die Ergebnisse zeigten, dass Menschen, Wenn sie atmen, sprechen oder singen, ein ganzes Spektrum von Tröpfchen- Größen produzieren. Und auch in den kleineren dieser Tröpfchen lassen sich mitunter Viruspartikel aufspüren.
• Die Ausbreitung im Raum einer Mischung aus Partikeln, Speichel und Luft, die beim Sprechen, Husten und Niesen entsteht, erfolgt in zwei Schritten:
• Zunächst wird durch das Husten/Sprechen/Niesen ein Strahl erzeugt, der in die Raumluft eindringt und sich zunehmend mit dieser vermischt. Der Verlauf des eintretenden Strahls ist dabei abhängig von verschiedenen Randbedingungen wie der Geschwindigkeit, der Turbulenz, der Temperaturdifferenz zwischen dem Strahl und der Umgebungsluft sowie der Differenz der Luftfeuchtigkeit. Aus verschiedenen Studien ist bekannt, dass beim Sprechen/Husten/Niesen Partikel von 0,01 Mikrometern bis 1500 Mikrometern auftreten. „Nach vollständiger Vermischung des Strahls mit der Raumluft erfolgt die Verteilung“, erklärt Martin Kriegel. „Die kleineren Partikel folgen weitgehend der Raumluftströmung, während größere Partikeln nach mehreren Minuten zu Boden fallen. Beim normalen Sprechen, Atmen und Husten werden fast ausschließlich kleine Aerosole generiert.
• In verschiedenen Projekten haben die Wissenschaftler die sogenannte Sedimentationszeit (Ablagerungszeit) von Partikeln verschiedener Größenklassen gemessen.
• • Kleine Partikel (0,5 bis 3 Mikrometer) sind nach einer Mastzeit von 20 Minuten noch nahezu vollständig in der Luft vorhanden. Eine Ablagerung dieser Partikel ist nicht oder nur geringfügig erkennbar.
• • Für mittlere Partikel (3 bis 10 Mikrometer) sind nach einer Messzeit von 20 Minuten noch mehr als 50 Prozent in der Luft zu finden.
• „Eine weitere Studie zeigt, dass sich selbst größere Tröpfchen (> 60 Mikrometer) unter bestimmten Umständen weit im Raum ausbreiten können. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn die Partikel im Auftriebsstrom von Wärmequellen (zum Beispiel von einer Person, oder Heizkörper in Räumen) emittiert werden. Sie steigen auf, verteilen sich horizontal und fangen erst dann an, sich abzulagern. Eventuelle horizontale Luftbewegungen verstärken den Verbreitungseffekt noch“, so Martin Kriegel.
• FUNKTION DER MASKEN
• Die Hauptaufgabe der Masken besteht also darin, die Richtung, Ausbreitungs-Geschwindigkeit und Form der Aerosol-Wolke zu verändern. Sie verhindert nicht das Vorhandensein der Viren in der Umgebung des Menschen.
• 6. LÖSUNG DER GESTELLTEN AUFGABE
• Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Menschen in der Öffentlichkeit am Kopf eine Strahlungs-Quelle tragen, die alle Krankheitserreger in der Luft und auch an bestrahlten Gegenständen abtöten, s. 6.
• Die Erfindung hat die Aufgabe, die ein-und ausgeatmete Luft in einem Halbkreis von ca. 20 - 30 cm vor und nach dem Mund durch für Menschen ungefährliches UV-C-Stahlen keimfrei zu machen. Die Viren passieren beim Ein-und Ausatmen diesen Strahlen- Schutzvorhang und werden innerhalb von < 1 Sekunde zerstört.
• Dem CS3-Labor der Goethe-Universität Frankfurt ist es im September 2020 gelungen, den Nachweis über die Zerstörung von SARS-CoV-2-Viren mit UV-C-Licht zu erbringen.
• ZITAT: „Innerhalb < 1 Sekunde wurde durch die Bestrahlung mit UV-C -Licht (bei einer Wellenlänge von ca. 230 nm) eine Inaktivierungsrate von 99,99% (log 4) erreicht, wenn die UV-C-Dosis 5,1 mJ/cm² beträgt. Auch Bakterien, Pilze und andere krankheits-Erreger werden bei diesen Strahlungs-Daten sicher vernichtet.“
• Log 4 = von 10 000 Viren überlebt 1 Virus
• 7. VORTEILE DER ERFINDUNG
• Der Schutz vor Ansteckungen durch SARS-Viren besteht darin, dass die Menschen in der Öffentlichkeit am Kopf diesen Strahlenschutz tragen. Dadurch kann eine Pandemie verhindert werden, da die Hauptursache des Ansteckungs-Weges, nämlich das Aus- und Einatmen von Krankheits-Erregern, wirkungsvoll ausgeschaltet wird. Weiter wird verhindert, dass durch das erzwungene Tragen von Atemschutz-Masken das ausgeatmete CO₂ wieder eingeatmet wird, mit noch unbekannten schädlichen Folgen für den Träger. Auch die psychische Belastung durch maskierte Mitmenschen, könnte wegfallen. Durch die weithin sichtbare grüne LED wird außerdem den Mitmenschen signalisiert, dass vom Träger der Schutzvorrichtung keine Ansteckungsgefahr mehr ausgeht.
• Des Weiteren kann das Gerät vom Kopf abgenommen werden und zur Desinfektion von Gebrauchs-Gegenständen verwendet werden. Nach ca. 8 Stunden Betriebszeit wird das Gerät wieder aufgeladen, z.B. für den Einsatz am nächsten Tag.
• Figurenliste
• 1: 3-D-Ansicht des Gerätes
• 2: Geräte-Ansicht von oben
• 3: Geräte-Ansicht von vorne
• 4: Detail-Ansicht Excimer-Strahlungsquelle
• 5: Schnitt durch die Strahlungsquelle mit Filter und Strahlformungs-Linse
• 6: Funktions-Zeichnung
• Bezugszeichenliste
• 1:

1

Gehäuse

2

Excimer-Strahlungsquelle

3

Strahlformungs-Linse

4

Bandpass-Filter für 222 nm-UVC-Strahlung

5

Zylinderkonzentrator zur Strahlverstärkung am Strahlen-Ausgang

6

Ein-Aus-Schalter

7

Ladestecker für Akku

8

Akku

9

Steuer-Elektronik für Excimer-Strahlungsquelle

10

Betriebsanzeige-LED, grün: Schutzschirm in Betrieb, rot: nicht in Funktion

11

Klettband für Befestigung an Schirm von Kappe

12

Gummiband für Kopf-Befestigung

• 9. BESCHREIBUNG UND AUSFÜHRUNGS-BEISPIEL
• Der Schutz der Menschen vor dem Virus besteht darin, dass die Menschen in der Öffentlichkeit am Kopf eine Strahlungs-Quelle tragen, welche kegelförmig nach unten strahlt (s. 6). Die Viren passieren beim Ein-und Ausatmen diesen „Strahlen-Schutzvorhang“ und werden durch die energiereichen UV-C-Strahlen innerhalb von < 1 Sekunde zerstört.
• Der Abstrahl-Winkel beträgt ca. 130 ° nach vorne, so dass ein halbkreis-förmiger, lückenloser „Strahlenvorhang“ sich vor dem Gesicht des Trägers befindet und ihn so vor den Viren schützt.
• Eine grün-rote Betriebsanzeige-LED (10) im Sichtbereich nach vorne und zum Träger hin zeigt die Aktivierung des Schutzschildes an (LED leuchtet grün). Bei leerwerdendem Akku (unter einer Mindestspannung) schaltet diese LED auf blinkend- Rot, um die Abschaltung des Schutzes zu signalisieren.
• Ein aufladbarer, einfacher Li-Akku (8) reicht für ca. 8 Stunden Tragedauer und kann täglich wie ein Smartphone neu aufgeladen werden. Die Lebensdauer der Li-lonen-Akkus beträgt > 10 Jahre und kann danach problemlos ersetzt werden.
• 10. PATENTANSPRÜCHE
1. 1. Am Kopf zu tragender Strahlen-Schutzschirm, der Krankheits-Erreger (wie z.B. Viren, Bakterien, Pilzsporen, etc.) in der Atemluft beim Ein- und Ausatmen zerstört, dadurch gekennzeichnet, dass eine starke EXCIMER- UVC- Strahlungsquelle (2) in einem Gehäuse (1) befestigt ist, die durch einen Schlitz mit davor geschalteten Bandfilter (4) der nur die für Menschen unschädliche UVC-Frequenz von 222 nm durchlässt, die einen „Strahlenvorhang“ (12) von vorzugsweise 130° nach vorne und unten vor dem Kopf des Trägers erzeugt, wobei die Strahlung durch einen 300°- Zylinderkonzentrator (5) auf die Strahlen-Auslassöffnung konzentriert ist, um die notwendige Strahlungs-Dosis vor dem Gesicht des Trägers zu erreichen, und durch einen Bandpass-Filter für 222 nm (4) den Träger vor anderen erzeugten Frequenzen schützt, sowie einer Strahlformungs -Linse (3),die den Strahl entsprechend formt und eine oder mehrere Einrichtung(en), die ein Betreiben, Steuern und Kontrollieren der Strahlungsquelle erlaubt, wie einen wieder aufladbaren Akku (8), die Steuer-Elektronik für die Strahlungsquelle (9), und eine Signal-LED (10), die den Betrieb anzeigt, so dass für jedermann sichtbar ist, dass der Strahlenschutz in Betrieb ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Strahlungsauslass-Schlitz eine Bandpass-Filter für 222 nm (4) und eine Strahlformungs-Linse (3) befestigt ist, um den Träger vor den anderen erzeugten schädlichen Frequenzen zu schützen und auch durch diese Linse (3) die notwendige Strahlungs-Dosis von > 5mJ / cm² zu erreichen.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vorne am Gehäuse eine Betriebsanzeige-LED (10) angebracht ist, die die Aktivierung des Schutzschirmes zum Träger hin und zu den Passanten signalisiert (grün), wobei diese LED auf „rot-blinkend“ schaltbar ist, wenn die Schutzvorrichtung außer Betrieb ist, (wenn z.B. die Betriebsspannung des Akkus ein Limit unterschreitet) um zu signalisieren, dass der Schutz nicht mehr aktiv ist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (1) ein wieder aufladbarer Akku (8) vorgesehen ist.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine mobile Anwendung vorgesehen ist, indem die Vorrichtung vom Kopf abnehmbar ist und zur Desinfektion von verschiedenen potentiellen Infektions-Gegenständen verwendet wird, die z.B. mit der Hand angefasst werden sollen.

Claims (5)

1. Am Kopf zu tragender Strahlen-Schutzschirm, der Krankheits-Erreger (wie z.B. Viren, Bakterien, Pilzsporen, etc.) in der Atemluft beim Ein- und Ausatmen zerstört, dadurch gekennzeichnet, dass eine starke EXCIMER- UVC- Strahlungsquelle (2) in einem Gehäuse (1) befestigt ist, die durch einen Schlitz mit davor geschalteten Bandfilter (4) der nur die für Menschen unschädliche UVC-Frequenz von 222 nm durchlässt, die einen „Strahlenvorhang“ (12) von vorzugsweise 130° nach vorne und unten vor dem Kopf des Trägers erzeugt, wobei die Strahlung durch einen 300°- Zylinderkonzentrator (5) auf die Strahlen-Auslassöffnung konzentriert ist, um die notwendige Strahlungs-Dosis vor dem Gesicht des Trägers zu erreichen, und durch einen Bandpass-Filter für 222 nm (4) den Träger vor anderen erzeugten Frequenzen schützt, sowie einer Strahlformungs -Linse (3),die den Strahl entsprechend formt und eine oder mehrere Einrichtung(en), die ein Betreiben, Steuern und Kontrollieren der Strahlungsquelle erlaubt, wie einen wieder aufladbaren Akku (8), die Steuer-Elektronik für die Strahlungsquelle (9), und eine Signal-LED (10), die den Betrieb anzeigt, so dass für jedermann sichtbar ist, dass der Strahlenschutz in Betrieb ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Strahlungsauslass-Schlitz eine Bandpass-Filter für 222 nm (4) und eine Strahlformungs-Linse (3) befestigt ist, um den Träger vor den anderen erzeugten schädlichen Frequenzen zu schützen und auch durch diese Linse (3) die notwendige Strahlungs-Dosis von > 5mJ / cm² zu erreichen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vorne am Gehäuse eine Betriebsanzeige-LED (10) angebracht ist, die die Aktivierung des Schutzschirmes zum Träger hin und zu den Passanten signalisiert (grün), wobei diese LED auf „rot-blinkend“ schaltbar ist, wenn die Schutzvorrichtung außer Betrieb ist, (wenn z.B. die Betriebsspannung des Akkus ein Limit unterschreitet) um zu signalisieren, dass der Schutz nicht mehr aktiv ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (1) ein wieder aufladbarer Akku (8) vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine mobile Anwendung vorgesehen ist, indem die Vorrichtung vom Kopf abnehmbar ist und zur Desinfektion von verschiedenen potentiellen Infektions-Gegenständen verwendet wird, die z.B. mit der Hand angefasst werden sollen.

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