Was hat der Staubsauger mit der Atombombe zu tun?
Entwicklung und Einsatz des HEPA-Filters
Beitrag von Frank Dittmann
Filter werden seit der Antike benutzt. Heute kann man damit auch feinste Teile aus der Luft abscheiden. Ein hocheffizienter Partikelfilter - der sogenannte HEPA-Filter - wurde in den frühen Jahre des Zweiten Weltkriegs entwickelt und wird bis heute in verschiedenen Bereichen eingesetzt. Wo dieser Filter überall verwendet findet, wie es zu dieser Entwicklung kam und welche besonderen Eigenschaften dieser Filter aufweist, wird in diesem Bericht zusammengefasst
Einsatzbereiche von Filtern
Seit der Antike wurden Filter aus Wolle bzw. Stoff zur Wasserreinigung oder in der Weinherstellung eingesetzt. Seit Beginn des 19. Jh. verbreiteten sich Papierfilter, die vor allem in chemischen Laboratorien und Fabriken verwendet wurden. Ab 1900 kamen Faserfilter in Belüftungsanlagen für Gärkeller in Brauereien, für Kühlräume von Schlachthäusern und Markthallen sowie zur Reinigung der Zuluft in Krankenhäusern zum Einsatz. Sie verbreiteten sich, als auch größere Versammlungsräume und Geschäftshäuser künstlich belüftet werden mussten.
Die Geschichte des HEPA-Filters
Die Entwicklung des sog. HEPA-Filters (HEPA = High Efficiency Particulate Air) in den USA reicht bis in die frühen Jahre des Zweiten Weltkriegs zurück, als das U.S. Army Chemical Warfare Service Laboratories (CWS) in Edgewood, Maryland, ein Stück von einem Filterpapier erhielt, das die Briten in einer deutschen Gasmaske gefunden hatten. Es war aus feinem Asbest gefertigt, zeigte sehr gute Rückhalteeigenschaften und hatte einen akzeptablen Widerstand gegen Luftströmung.
Das CWS und das U.S. Naval Research Laboratory (NRL) reproduzierten das deutsche Filterpapier und ließen es in großen Mengen herstellen. Dabei benutzte man das faserigere Mineral Krokydolith, Zellstoff und Baumwollabfälle. Da Krokydolith aber importiert werden musste, wurde intensiv nach Alternativen gesucht. So experimentierte man mit einheimischen Zellulosefasern, fand die Lösung aber in feinen Glasfasern.
Weiterentwicklung von Gasmaskenfiltern
Der Nobelpreisträger Irving Langmuir, der den Auftrag erhalten hatte, eine zugehörige Theorie zu entwickeln, kam zu dem Ergebnis, dass diese Luftfilter nicht wie Siebe funktionieren. Diese halten bekanntlich alle Teilchen zurück, die größer als die Löcher sind. Faserfilter haben dagegen eine unregelmäßige Anordnung der Poren und können damit auch Schwebteilchen ausfiltern, die viel kleiner als diese sind. Die Theorie wurde später weiterentwickelt und beeinflusste die amerikanische Filterentwicklung stark. Bald stellte sich die Aufgabe, die militärischen Hauptquartiere, in denen das Tragen einer Gasmaske unpraktisch ist, z. B. gegen chemische Kampfstoffe zu schützen.
Das U.S. Army Chemical Corps arbeitete dazu die Gasmaskenfilter dahingehend um, dass größere Lagen in Falten gelegt, durch Abstandsplatten getrennt und mit Gummizement in einen rechteckigen Rahmen geklebt wurden. In diesen Filtern wurden chemische, biologische und radiologische Reinigungseinheiten kombiniert. Als im Zug des Manhattan-Projekts zur Entwicklung der amerikanische Atombombe Filter gegen Partikel gesucht wurden, um zu verhindern, dass Radioaktivität etwa über Abluftsysteme von Versuchsreaktoren und anderen Bereichen der Kernforschung Gebäude und Umwelt kontaminiert, griff man auf diese Filtereinheiten zurück.
Eigenschaften der HEPA-Filter
Wegen der hohen Rückhaltewirkung auch sehr kleiner Partikel bürgerte sich der Name HEPA-Filter für trockene Wegwerf-Filter mit den drei folgenden Eigenschaften ein:
- einer Partikelentfernungseffizienz von 99,97 %, gemessen an einer Partikelwolke von 0,3 μm,
- einem maximalen Widerstand gegen den Luftstrom von 1 Zoll (2,54 cm) Wassersäule und
- einem starren Rahmen.
HEPA-Filter nutzt jeder
Heute werden Luftfilter mit hoher Wirksamkeit in vielen Bereichen der Industrie eingesetzt, um kleinste Partikel aus der Luft oder aus Gasen zu entfernen, etwa im medizinischen Bereich zur Belüftung von Operations- und Laborräumen. Unabdingbar sind sie für die Halbleiterproduktion oder in der pharmazeutischen Industrie. Gefertigt werden sie aus Zellulose, Glasfasern oder anderen synthetischen Materialien, die in Form von dünnen Schichten in mehreren Lagen übereinander gelegt werden. Sie sind aber auch im privaten Bereich unverzichtbar, so etwa als Pollenfilter in Luftreinigern und Staubsaugern.
Literatur
DOE Handbook. Nuclear Air Cleaning Handbook. U.S. Department of Energy, Washington, November 2003, Kap. 1
Erstmals erschienen in: TiB Ausgabe 2020 Mai/Juni