Deutschland und Europa hat mittlerweile eine sehr restriktive Strahlenschutzgesetzgebung für die ionisierende Strahlung, wenn man nur einmal an die Auflagen denkt, die zu erfüllen sind, wenn eine Lehrkraft an einer Schule Experimente mit radioaktiver Strahlung durchführen möchte. Bei der quantitativen Bewertung der biologischen Wirksamkeit der ionisierenden Strahlung orientiert sich Strahlenschutz am sogenannten Detriment, dem „individuellen Schadensmaß“. Laut Strahlenschutzkommission handelt es sich dabei um das Produkt aus der Eintrittswahrscheinlichkeit pro Dosis für den Effekt (z. B. für eine bestimmte Krebsart) und seiner „Schadensqualität“. Das heißt, das Detriment stellt ein mit der Schadensqualität gewichtetes Risiko dar. In erster Linie untersucht man also das Risiko von strahlungsbedingten Krebserkrankungen und gewichtet diese noch mit der Reduktion der Lebensqualität durch die Erkrankung bzw. gar mit dem Verlust des Lebens. Die Zahlen dazu gewinnt man aus epidemiologischen Untersuchungen, wobei die Krebsregister verschiedener Länder eine wichtige Datenquelle sind. So hat man erst kürzlich festgestellt, dass das Radon doch mehr als gedacht zu Todesfällen durch Lungenkrebs führt und hat die attribuierten Todesfälle von bisher 1900 pro Jahr auf 2100 erhöht. Die Dosiskoeffizienten, die von einer gewissen Aktivitätskonzentration zur entsprechenden Äquivalent-Dosis in der Einheit Sievert führen, wollte man aber doch noch nicht verändern, da sonst einiges am Strahlenschutzgebäude ins Wanken käme und vor allem Gemeinden und Kommunen mit massiven Sanierungskosten belastet werden würde.
Nun hat man im Strahlenschutzgesetz zur ionisierenden Strahlung festgelegt, dass diese bei 10nm Wellenlänge im Bereich der weichen Röntgenstrahlung beginnt, was etwa 124eV entspricht. Nun ist aber hinreichend bekannt, dass elektromagnetische Strahlung mit deutlich weniger Energie bereits zu Krebsinzidenzen führt, weil sie hochenergetisch genug ist um das Erbgut zu schädigen. Bereits der UV-B Strahlungsanteil im Sonnenlicht führt bei einer Energie von etwa 4eV (310nm) dazu, dass die DNS und andere Zellbestandeitle indirekt geschädigt werden, weil sich genau wie bei ionisierender Strahlung, in den Zellen des Gewebes Radikale bilden. Und genau wie bei ionisierender Strahlung auch kann die DNS sogar direkt geschädigt werden, weil photochemische Prozesse ablaufen, die zu Strangbrüchen und Basendefekten führen. Eine UV-bedingte Schädigung der DNS kann also genauso zu Mutationen führen, so dass bei der Zellteilung fehlerhafte Information vererbt wird, die dann wiederum zu malignen Entartungen der Zellen und damit zu einer Krebsinzidenz führen können. Lediglich die Tatsache, dass die UV-B-Strahlung nur bis in die Lederhaut eindringen kann, reduziert dann noch die Schadensqualität. Allerdings können bestimmte Sorten von Hautkrebs genauso streuen und so auch innere Organe mit Krebs befallen. Daher führt Hautkrebs derzeit in Deutschland zu etwa 4000 attribuierten Todesfällen (also mehr als was dem Radon zugeschrieben wird). Schaut man nur auf die Krebsinzidenzen, dann ist der Hautkrebs unter den häufigsten Krebsarten weltweit. In Deutschland rechnet man mit etwa 300000 Hautkrebsinzidenzen jährlich, Tendenz steigend.
Da fragt man sich wo bleibt da jetzt der Strahlenschutz? Aber während man die Bräunungslampen in Solarien noch gesetzlich einigermaßen geregelt hat, ist dies bei UV-C-Desinfektionslampen, die es seit Corona wie Sand am Meer im Internet zu kaufen gibt, schon nicht mehr der Fall. Und beim Sonnenlicht, da wird die gesetzliche Regelung richtig schwierig. Dabei ist ein Sonnenbrand auch nichts anderes als ein strahlungsinduziertes Erythem das z.B. bei einer sehr starken äußeren Exposition durch Betastrahlung genauso auftritt und anzeigt, dass Zellen Schaden genommen haben und das Immunsystem mit der Reparatur der Schäden an seine Grenzen geraten ist.
Vergleicht man nun, wie das Sonnenlicht im Vergleich zur ionisierenden Strahlung wahrgenommen wird, dann fällt doch ein erheblicher Unterschied auf. Während sich die ionisierende Strahlung durch die militärische Anwendung von Kernwaffen und durch die Unfälle in Nuklearanlagen wie Tschernobyl und Fukushima einen denkbar schlechten Ruf genießt, und viele Menschen panisch reagieren, wenn sie glauben zu viel ionisierende Strahlung abbekommen zu haben, werden Sonnenbrände vor allem von Jugendlichen in ihrer Gefährlichkeit oft massiv unterschätzt, obwohl bekannt ist, dass vor allem Hautkrebs eine lange Latenzzeit bis zur Inzidenz hat und sich die „Haut“ jeden Sonnenbrand merkt. Die Quittung dafür bekommt also erst im höheren Lebensalter, was den Erziehungseffekt in der gedankenlosen Jugend stark schmälert.
Wenn man also dem UV-Licht auch ein Detriment zuweisen würde, was sich am Hautkrebs orientiert und eine Äquivalentdosis in der Maßeinheit Sievert berechnen würde, dann würden sich manche Menschen sicher wundern. Möglicherweise würde die Bevölkerung dann die radioaktive Strahlung wieder als harmloser empfinden oder aber sich besser vor UV-Strahlung schützen. Aber in jedem Fall ist es eine gute und sinnvolle Übung, sich mit der UV-Strahlung zu befassen, so dass man sie besser einsortieren kann.
Das Befassen mit einer Physikalischen Große fängt üblicherweise mit der richtigen Messtechnik an. Deswegen soll diese hier nun in einem eigenen Kapitel diskutiert werden. Zu groben Orientierung um welche Energien es bei der gefährlichen UV-Strahlung geht, hier eine modifizierte Darstellung des BfS. Die vorhandene Skala wurde um die Photonenenergie in eV erweitert, so dass ein Vergleich mit der radioaktiven Strahlung leichter möglich ist. Gefährlich wird es also ab etwa 4eV, ab da hat eine elektromagnetische Strahlung genug Energie um Zellen der Haut zu schädigen. Und nicht erst, wenn eine Strahlung Atome und Moleküle im Gewebe ionisieren kann.
Hier ein erstes UV-Messgerät, das nicht wie viele kommerzielle Geräte vorwiegend die Bestrahlungsstärke der UVA-Strahlung anzeigt, sondern die Sonnenbrand-wirksame (Erythem-wirksame) UVB-Strahlung, die hauptsächlich für die Entstehung von Hautkrebs verantwortlich ist. Aber sie ist auch für die Vitamin-D Synthese in der Haut wichtig. Das Vitamin-D ist für viel Prozesse im Körper lebensnotwendig, u.a. für den Knochenaufbau. Also ein bisschen UVB-Strahlung darf schon sein bzw. ist sogar lebensnotwendig. Wie für die radioaktive Strahlung auch gilt daher der Spruch von Paracelsus: "Die Dosis macht das Gift".
Für dieses Messgerät wurde der spektrale UV-Sensor AS7331 von ams-Osram verwendet, der über 3 Kanäle verfügt, in denen er jeweils die UVA, UVB und UVC Bestrahlungsstärke misst. Es wird gezeigt, wie man diesen Sensor dazu benuzen kann, um den UV-Index als Gefahrenwert zu berechnen. Das Messgerät ist mit einem Datenlogger ausgestattet, so dass der UV-index automatisiert über längere Zeiträume gemessen werden kann, um dann die Belastung über die Jahreszeiten hinweg untersuchen zu können.
Ein Arduino-basiertes UV-Index Messgerät mit Datenerfassung für die jahreszeitliche Untersuchung der UV-Belastung der BevölkerungKris Winer von Pesky Products hat ebenfalls eine Library für seine AS7331 BreakOut Implementierung auf Github zur Verfügung gestellt, die einen Vorteil gegenüber der Sparkfun Library hat. Man hat mit der Library von Kris Winer einen einfachen Zugang zu den Rohwerten jedes UV-Kanals vor der Umwandlung in uW/cm^2. Damit kann man erkennen, ob der AD-Wandler für einen der Kanäle in Sättigung geht bzw. wieviel Luft noch ist, bis zum Erreichen des Full Scale Range. Auf diese Weise kann man die Gain Einstellung an die Anwendung anpassen, denn nach der Umwandlung in uW/cm^2 ändert sich der Ausgabewert nicht, wenn man den Gain verändert, außer man hat die Sättigung bereits erreicht. Auch sonst ist die Library von Kris Winer leichter zu durchschauen, als die Library von Sparkfun.
https://github.com/kriswiner/AS7331 (externer Link)Hier noch einmal derselbe Sketch für den AS7331 mit Datenlogger, jedoch unter Verwendung der Library von Kris Winer anstelle der Sparkfun Library. Der Sketch wurde für den MKR Zero angepasst. Auf dem Due läuft es allerdings nicht, dort wird eine flasche ChipID erkannt (0x42 statt 0x21). Warum ist noch unklar. Allerdings läuft auch die Sparkfun Implemntierung des Sketches nicht auf dem Due, vermutlich aus den selben Gründen.
KrisWinerLib_AS7331RTClog.inoUm ein Beispiel für die Anwendung des AS7331 anzuführen, wurde eine UVB-Lampe der Firma Exo-Terra mit der Bezeichnung Reptile UVB 150 auf ihren spektralen Gehalt hin vermessen. Verwendet wurde der Sketch KrisWinerLib_AS7331RTClog.ino mit dem Parameter gain=8. Die Lampe wurde mit der Front in 8cm Entfernung von dem Sensor positioniert.
Das Solarmeter 6.5R zeigte in dieser Position einen UV-Index von 12.0 an (300uW/cm^2). Als Mittelwerte ergaben sich mit der Kris Winer Library folgende Messwerte (gemittelt):
UVA in LSB: 24714Ein weiteres Beispiel ist die Vermessung einer UVC-LED vom Typ Luminus XST-3535-UV, die auf einem Starboard montiert ist. Auch hier wurde der Sketch KrisWinerLib_AS7331RTClog.ino verwendet, allerdings mit einer Einstellung des Parameters von gain=5. Die LED wurde in 10cm Abstand von dem Sensor positioniert.
Als Mittelwerte ergaben sich mit der Kris Winer Library folgende Messwerte (gemittelt):
UVA in LSB: 504