CO2-Messungen mit einem Datenlogger

von Carina Ruthe und Lucas Jürgens,
zusammen mit Kim von Scheidt, Julia Ingwersen und Rebecca Pham Xuan
(Arbeitsgemeinschaft Jugend forscht des Christian-Gymnasiums Hermannsburg)

Einleitung
Kohlenstoffdioxid (CO2)
CO2-Messung
Versuchsanordnung
Experimente im Klassenraum
Experimente mit einer Kerze
Experimente mit Hefe
Experimentier-Ideen

Einleitung
Typische CO2-Konzentrationen: 260 ppm Außenluft in vorindustrieller Zeit 350 ppm Wert für „reine Außenluft“ heute 700 ppm Stadtluftwerte im Freien 1400 ppm Stadtluftwerte in Wohnungen und Bürogebäuden 5000 ppm maximale Arbeitsplatz-Konzentration 50.000 ... 80.000 ppm Ausatmungsluft >100.000 ppm tödliche Dosis bei kurzzeitiger Einatmung	Wir alle kennen das: Man sitzt im Klassenraum und versucht sich zu konzentrieren. Meistens jedoch ist die Luft zu schlecht, was dazu führt, dass wir uns nicht mehr konzentrieren können. Das Umweltbundesamt sagt, dass der Richtwert für Schulräume max. 0,15 Volumenprozent CO2 = 1500 ppm CO2 (ppm = parts per million) betragen darf.
	Aber wie hoch ist der CO2-Gehalt in meinem Klassenraum denn nun tatsächlich? Und mit welcher Messmethode kann man diesen CO2-Gehalt bestimmen? Wie groß ist der Unterschied, wenn das Fenster geöffnet oder geschlossen ist? Im Klassenraum entsteht CO2 durch die Atemluft der Schüler. Aber auch sonst gibt es viele Vorgänge, bei denen CO2 eine Rolle spielt, z.B. bei der chemischen Verbrennung oder bei biologischen Vorgängen.	CO2 » entsteht bei der Verbrennung von Kohlenstoff » ist ein die Gesundheit gefährdendes Gas

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Kohlenstoffdioxid (CO2)
Beim Menschen entsteht Kohlenstoffdioxid bei der Atmung. Im Körperwird der eingeatmete Sauerstoff durch das Blut zu den Zellen transportiert. Dort wird er benötigt, um aus den Brennstoffen der Zellen Energie zu erzeugen. Bei diesem Vorgang wird Kohlenstoffdioxid erzeugt, das wieder in das Blut abgegeben wird.		Zusammensetzung der Luft: 20,4 % Sauerstoff 76,0 % Stickstoff 2,6 % Wasserdampf 0,9 % Argon 0,4 % Kohlenstoffdioxid Spurengase Ein Kubikmeter Luft hat eine Masse von etwa 1,2 kg.
Atmung » Sauerstoff wird eingeatmet » Kohlenstoffdioxid wird ausgeatmet	In der Lunge findet ein Austausch der beiden Gasestatt, die im Blut gespeichert sind. Die Lungenbläschen haben eine so dünne Membran, dass Sauerstoff von außen in das Blut gelangen kann, gleichzeitig kann das vom Körper erzeugte Kohlenstoffdioxid an die eingeatmete Luft abgegeben werden.
In der Umwelt sorgen Pflanzen dafür, dass aus dem Kohlenstoffdioxid durch Photosynthese wieder Sauerstoff entsteht, den dabei entstehenden Kohlenstoff verwendet die Pflanze zum Aufbau ihrer Zellen, der frei werdende Sauerstoff wird wieder an die Luft abgegeben. In der freien Natur bildet sich deshalb ein Gleichgewicht zwischen Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid, wobei letzteres einen Anteil von ca. 400 ppm hat. Nimmt der CO2-Gehalt der Außenluft zu, kann die Lunge dieses nicht mehr so gut abgeben und der CO2-Gehalt im Blut steigt an. Wird er zu hoch, ersticken wir.

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CO2-Messung
CO2 kann mit der sogenannten "Kalkprobe" chemisch nachgewiesen und auch gemessen werden. Dazu leitet man das CO2-haltige Gasgemisch durch eine Kalkwasserprobe und bestimmt das Gewicht vorher und nachher. Das CO2 wird im Kalkwasser gebunden und erhöht so das Gewicht. Diese Methode ist leider sehr Zeit raubend und ungenau.
Messmethoden » chemischer Nachweis mit der Kalkprobe » quantitative Messung mit Gassensor	CO2-Nachweis mit der "Kalkwasserprobe"
Elektronischer Sensor zur CO2-Messung	Seit einiger Zeit gibt es auf dem Markt einen elektronische Sensoren, die Kohlenstoffdioxid nicht nur nachweisen, sondern auch recht genau messen können. Der von uns verwendete Sensor enthält einen festen Elektrolyten mit zwei Anschlüssen, der auf einer Heizplatte sitzt, die auf ca. 450 °C aufgeheizt wird. Dann erzeugt der Elektrolyt eine Spannung, die vom CO2-Gehalt abhängig ist und gemessen werden kann.

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Versuchsanordnung
Messgerät zur CO2-Messung: im linken Teil der Abbildung erkennt man rechts unten den CO2-Sensor, in der Bildmitte die Platine mit dem PIC zur Speicherung der Messwerte und deren Ausgabe auf einem LC-Display (ganz links). Am oberen Bildrand befinden sich die Akkus zur Stromversorgung bei Netzausfall. Die Schemaskizze rechts beschreibt die einzelnen Komponenten.
CO2-Datenlogger » direkte Anzeige des CO2-Gehaltes » Speicherung der Messwerte	Der eigentliche CO2-Sensor ist auf einer kleinen Platine montiert. Diese steuert die Aufheizung des Sensors und erzeugt aus den Signalen des Sensors eine Spannung, die proportional zum CO2-Gehalt ist. Der PIC (das ist ein programmierbarer Mikrocontroller) wandelt die vom Sensorbaustein gelieferte Spannung in einen Zahlenwert um und speichert diesen alle paar Minuten. Die Wartezeit zwischen zwei Messungen ist programmierbar. Außerdem gibt er den aktuellen Messwert auf dem LC-Display aus. Die gemessenen Daten können später mit einem PC ausgelesen und weiter verarbeitet werden. ---> Schaltplan des CO2-Messgerätes

Vorderansicht des CO2-Datenloggers im Modus "Messen", die Anzeige zeigt aktuell 440 ppm CO2-Gehalt an. "I:0" gibt an, dass dies die erste Messung der Messreihe ist, das "=" markiert im Sinne eines "Bargraf" den aktuellen Messwert im Rahmen des Messbereiches.	Rückansicht des CO2-Datenloggers: links unten erkennt man die Messöffnung des Sensors, in der Mitte den 9-poligen Anschluss für den PC, rechts daneben den Stromanschluss (oben) und den Reset-Taster, ganz rechts den Ein/Ausschalter.

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Experimente im Klassenraum

Die erste Version des CO2-Messgerätes erlaubte noch keine Datenspeicherung. Dennoch konnte damit bereits die Veränderung des CO2-Gehaltes in einem Klassenraum im Verlaufe eines Schultages gemessen werden. Der CO2-Gehalt jeweils am Ende einer Stunde lässt sich als Balkengrafik darstellen.	Balkendiagramm für den CO2-Gehalt im Laufe eines Schultages. In der 2. und 7. Stunde hat sich niemand im Klassenraum aufgehalten.
In der durch einen eigenen Mikrocontroller erweiterten Version des Messgerätes war es nunmehr möglich, automatisch Messreihen aufzunehmen. Dabei wurde alle 5 Minuten der Messwert gespeichert. Nach Abschluss der Messungen konnten die Messwerte auf einem PC übertragen und ausgewertet werden.	Liniendiagramm für den CO2-Gehalt im Laufe eines Schultages. Man erkennt deutlich, wann sich niemand im Klassenraum aufgehalten hat (langsamer Abfall) oder die Fenster zum Lüften geöffnet wurden (schneller Abfall).

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Experimente mit einer Kerze

Messung der CO2-Entstehung bei der Verbrennung einer Kerze mit dem Sensor unter einer Glasglocke

Mit dem Gerät lässt sich aber nicht nur der CO2-Gehalt in Räumen messen, sondern man kann auch andere Experimente damit durchführen, so zum Beispiel den CO2-Anstieg in einem geschlossenen Gefäß, in dem sich eine brennende Kerze befindet. Bringt man den Sensor in verschiedenen an, lassen sich Rückschlüsse auf die CO2-Verteilung im Gefäß ziehen. Da CO2- schwerer als Luft ist, sollte es sich am Boden des Gefäßes sammeln.

Verlauf des CO2-Gehaltes bei zwei verschiedenen Sensorhöhen

Man erkennt bei beiden Messungen (rot und blau), dass der CO2-Gehalt recht gleichmäßig ansteigt, bis er die Anzeigegrenze des Sensors erreicht. Erstaunlicher Weise erfolgt der CO2-Anstieg bei dem höher angeordneten Sensor schneller als unten - das liegt evt. daran, dass das warme Gas zunächst aufsteigt und am Sensor vorbeistreicht, bevor es sich unten im Gefäß sammelt.
Der untere Graph zeigt eine Kontrollmessung, mit der überprüft werden sollte, dass sich der Messwert ohne CO2-Erzeugung wegen der Entladung des Akkus nur wenig verändert.

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Experimente mit Hefe

Bei der Gärung von Hefe (das sind eigentlich Bakterien) entsteht ein Gas, das dem Brot- oder Kuchenteig seine lockere Form gibt. Beim Backen wird die Hefe zwar abgetötet, das Gas bleibt aber vom Mehl eingeschlossen. Lässt man die Hefe mit etwas warmen Zuckerwasser offen gären, kann das Gas ungehindert austreten und gemessen werden. Der Sensor zeigt an, dass es sich dabei um CO2 handelt.

Gären von Hefe in einem abgeschlossenen Gefäß (1 g Trockenhefe, 3 g Zucker, 20 g Wasser)

Zu Beginn benötigt die Hefe etwa 5 Minuten bis der Gärprozess richtig in Gang kommt. Danach steigt der CO2-Gehalt gleichmäßig an. Nach ca. 20 Minuten nimmt die CO2-Produktion langsam wieder ab. Wegen der langen Messdauer ist immer auch etwas Gas unter dem Gefäß entwichen, das hat aber den Vorteil, dass man an dem Grafen die Entstehungsgeschwindigkeit des CO2 ablesen kann. Leider war nach 20 Minuten der Akku leer, sonst hätte man sehen können, dass nach etwa 60 Minuten die Hefe "fertig" ist, das heißt, sie hat allen Zucker aufgebraucht.

Verlauf der Entstehung von CO2 bei der Gärung von Hefe

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Experimentier-Ideen

Mit dem CO2-Messgerät können noch zahlreiche weitere Experimente gemacht werden, z.B.:
-	Nachweis von CO2 in der Atemluft durch Anblasen des Sensors mit einem Strohhalm (dabei wird der Messbereich allerdings deutlich überschritten)
-	Untersuchen, welche Stoffe CO2 erzeugen, z.B. Brausepulver, Backpulver, Zahnspangenreiniger, Geschirrspültabs
-	Messen, wie schnell Pflanzen CO2 wieder abbauen (das wäre dann ein Langzeitversuch, für den das Gefäß völlig dicht sein muss)

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