Ionisationsmelder

Ionisationsrauchmelder oder Ionisationsmelder sind Brandmelder, die mit einem radioaktiven Strahler, meist ²⁴¹Am, arbeiten. Sie waren lange Zeit Rauchmelder der ersten Wahl. Wegen der radioaktiven Quellen werden sie aber nach und nach von optischen Rauchmeldern und Wärmemeldern abgelöst.

Funktionsprinzip

Ein kleines Luftvolumen wird mit einem Alpha- oder Beta-Strahler bestrahlt und dadurch ionisiert. Die Leitfähigkeit der Luft wird mit zwei Elektroden gemessen. Befindet sich Rauch in der Luft, so treffen häufig Ionen auf Rauchpartikel und lagern sich dort an. Die Leitfähigkeit der Luft verringert sich. Anhand der Leitfähigkeitsabnahme kann auf die Rauchkonzentration geschlossen werden. Bei Verringerung des Stromflusses schlägt der Ionisationsmelder Alarm.

Häufig wird mit zwei Messvolumen/Kammern gearbeitet. Die Referenzkammer ist geschlossen und es kann nur langsam Luft und damit Rauch eindringen. Die Messkammer ist geöffnet (eine Elektrode ist als Gitter ausgeführt) und Rauch kann eindringen. Der Strom der beiden Kammern wird verglichen (Spannungsteiler mit beiden Kammern). Verschiedene Störgrößen wie z.B. Luftdruckänderungen, Feuchte usw. sind langsam und wirken auf beide Kammern gleich und werden daher nicht gemessen.

Vor- und Nachteile

Ionisationsmelder reagieren besonders empfindlich auf kleine Rauchpartikel, wie sie vorzugsweise bei flammenden Bränden, aber auch in Dieselruß, auftreten. Im Gegensatz dazu sind optische Brandmelder besser zum frühzeitigen Erkennen von Schwelbränden mit relativ großen und hellen Rauchpartikeln geeignet. Das Detektionsverhalten beider Meldertypen ist daher eher als einander ergänzend zu betrachten. Ein eindeutiger Vorteil bezüglich Sicherheit vor Falschalarmen (durch Wasserdampf, Küchendämpfe, Zigarettenrauch, etc.) kann für keinen dieser Meldertypen ausgemacht werden. Für den Einsatz als lebensrettende Rauchwarnmelder, wie sie in einigen deutschen Bundesländern bereits vorgeschrieben sind, sind optische Brandmelder den Ionisationsmeldern vorzuziehen, da die lebensgefährlichen Brandgase eines Schwelbrandes erkannt werden, bevor überhaupt eine Flamme entsteht.

Verwendete Alpha-Strahler

Radium-226

Die ersten Ionisationsrauchmelder verwendeten Radium als Alpha-Strahler. Radium strahlt auch einen großen Anteil an Gamma-Strahlung. Es konnten nur relativ große Ströme gemessen werden. Entsprechend stark musste der Strahler sein. Früher wurde das Radium von Hand mit Pinseln auf eine kleine Fläche im Rauchmelder aufgebracht; mit entsprechender Strahlenbelastung der Arbeiter. Später wurde der radioaktive Stoff als Oxidmatrix unter einer sehr dünnen, aber hermetisch dichten Edelmetallabdeckung aufgewalzt. Die Scheiben oder Folien wurden als so genannte "Umschlossene radioaktive Stoffe" in den Melder eingebaut. Eine Bauartzulassung, und damit die allgemeine Verwendbarkeit, bei vorliegender Umgangsgenehmigung des Einbauers, war deswegen möglich.

Später wurde auch Xenon, Krypton (⁸⁵Kr) und Tritium in Glasampullen eingesetzt. Die Gase bargen insbesondere bei der Fertigung jedoch ebenfalls Risiken.

Americium-241

Die Stoffe wurden später durch Americium-241 abgelöst. Es weist einen wesentlich geringeren Gamma-Anteil auf. Dafür muss aber die Aktivität gegenüber Radium ca. das Fünffache betragen.

Verstärker

Die Ionisations-Ströme sind sehr klein. Zu Beginn wurden Elektronenröhren eingesetzt. Sie konnten Ströme im Bereich einiger nA messen. Später wurden diese durch Feldeffekttransistoren (MOSFET) abgelöst. Mit ihnen ist es möglich, Ströme von weniger als 10 pA zu messen. Dadurch konnte die nötige Radioaktivität entsprechend verringert werden.

Isolation

Beim Messen kleiner Ströme ist die Isolation von großer Bedeutung. Wasser auf der Oberfläche, Staub und Feuchtigkeit führen zu Leckströmen. Die Isolationsstrecken mussten daher groß sein und auch aus geeigneten Materialien hergestellt werden.

Problematik

Die Vorschriften bezüglich radioaktiver Quellen wurden im Laufe der Zeit verschärft. Hersteller wurden verpflichtet, die radioaktiven Quellen fachgerecht zu entsorgen. In der Praxis war das fast nicht umzusetzen. Wird ein Haus mit einer Brandmeldeanlage abgerissen, denkt vermutlich niemand mehr daran, dass in jedem Raum eine radioaktive Quelle ist, welche entsorgt werden müsste.

Ein weiterer heikler Punkt ist die Korrosion der Quellen. Die radioaktiven Materialien können nicht gut gekapselt werden, weil sonst die Alpha-Strahlung durch die Umhüllung absorbiert würde. In der Praxis wurde der Strahler häufig nur mit einer sehr dünnen Goldschicht oder auch gar nicht bedeckt. Korrodierte die Quelle mit der Zeit, konnte radioaktives Material austreten. Die Strahlenbelastung eines in einiger Distanz montierten und intakten Melders ist gering. Lediglich ein kleiner Anteil Gamma-Strahlung kommt bis zum Bewohner. Tritt jedoch radioaktives Material aus und wird z. B. eingeatmet, so kann das schwerwiegende Folgen haben, weil Alpha-Strahler im Körper eine stark schädigende Wirkung haben.

Aufgrund der radioaktiven Strahlung werden Ionisationsmelder allerdings nur noch in Sonderfällen eingesetzt, da die Auflagen sehr streng sind. Das Gefährdungspotenzial eines einzelnen Melders ist bei bestimmungsgemäßem Gebrauch und Entsorgung jedoch gering.

Im Normalfall sind die Ionisationsmelder aufgrund ihrer geringen Aktivität vollkommen ungefährlich. Im Brandfall muss aber der Brandschutt nach verschollenen Brandmeldern abgesucht werden. Wenn nicht alle Melder gefunden werden, muss der gesamte Brandschutt nach den Strahlenschutzverordnungen (zumindest im EU-Raum) als Sondermüll entsorgt werden, was auch zu erheblichen Mehrkosten nach einem Einsatz der Feuerwehr kommt. Das Suchen der Melder ist aber nicht immer sehr einfach. Mit Geigerzählern hat man kaum eine Chance, sie unter einer Schicht mit einer Dicke von einigen Zentimetern zu finden. Daher ist es meist besser, man sucht das Gelände entsprechend dem Brandschutzplan visuell ab, wo der Melder ungefähr liegen kann.

Am weitesten verbreitet sind Ionisationsmelder in Angloamerika, da sie dort über den Hausmüll entsorgt werden dürfen.

Literatur

Ionisationsfeuermelder: technische und wirtschaftliche Bedeutung (PDF)