Einem Molekül auf der Spur – Berliner Sensorgeschichten

Wir Menschen können CO₂ weder sehen, noch hören, noch riechen, schmecken oder anfassen – doch mit Hilfe von Technik und Wissenschaft können wir es messen, darstellen und interpretieren. In unserer Data Story stellen wir drei ausgewählte Orte in Berlin vor, die mit CO₂-Sensoren ausgestattet, dem Kohlendioxid auf der Spur sind. Wir wollen zeigen, wie wir datenbasiert unser Lüftungsverhalten optimieren oder in pandemischen Zeiten Veranstaltungen sicherer planen können. Dies ist der Mehrwert, den sensorbasiertes Arbeiten Betreiber:innen unterschiedlichster Couleur bietet. Außerdem stellen wir die zugrundeliegende Hard- und Software vor, die das Citizen Science Pilotprojekt COMo ermöglicht.

Moleküle und Sensoren – Eine Liebesgeschichte

Kohlendioxid-Moleküle (CO₂) schwirren unsichtbar durch die Luft und umgeben uns immerfort. Sie beeinflussen die Luft, die wir atmen und ihre Konzentration kann als Leitwert für die Qualität der Atemluft herangezogen werden. Denn befinden sich zu viele CO₂-Moleküle in einem Innenraum sinkt die Konzentrationsfähigkeit und die Aerosolbelastung steigt. Im Projekt COMo (CO₂-Monitoring) hat die Technologiestiftung Berlin daher CO₂-Sensoren in öffentlich zugänglichen Räumen verteilt. In Zusammenarbeit mit der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin und der KOING GmbH wurde die Kohlendioxidkonzentration der Raumluft ermittelt. Da der CO₂-Wert in einer direkten Verbindung mit der Luftqualität steht, lassen sich aus den Messwerten auch Rückschlüsse auf die Verbesserung des eigenen Raumklimas ziehen.

Das CO₂ lässt sich Zeit – Ein Sensor im dEIn Labor

Unsere erste Spurensuche führt uns ins dEIn Labor, ein Experimentierraum für Jugendliche, angesiedelt an der Elektrotechnik und Informatik Fakultät der TU Berlin. Das Labor veranstaltet regelmäßig öffentlich zugängliche Workshops zu Robotik, App-Entwicklung und kreativen Technologien. Im Veranstaltungsraum finden bis zu 20 Personen Platz – vor diesem Hintergrund ist es für die technisch versierten Tutor:innen interessant, die CO₂-Werte sensorbasiert zu erheben und aus den Daten zu lernen.

Für unser Datenportrait (Sensor 99) haben wir uns drei aufeinanderfolgende Workshoptage im Juni 2022 angeschaut. Der Kurvenverlauf erzählt eine Geschichte von unterschiedlichen Lüftungsverhalten und deren Auswirkungen.

Am Datenmuster lässt sich gut erkennen, dass das Kohlendioxid ein Gas alter Schule ist, man muss ihm schon die Tür oder das Fenster aufhalten, damit es den Raum verlässt. Da ein hoher CO₂-Wert ein Indikator für eine potenziell erhöhte Aerosollast ist, ist besonders die datenbasierte Erkenntnis wertvoll, dass der Abbau der CO₂-Konzentration in geschlossenen Räumen fast einen ganzen Tag benötigt im Gegensatz zu gerade mal einer knappen halben Stunde bei offenem Fenster.

Betrachten wir ganz konkret die steil abfallende CO₂-Messwertkurve vom Mittwoch, dem 22. Juni 2022 nach einem Robotik-Workshop, so sehen wir, dass bei offenen Fenstern und einem menschenleeren Raum der CO₂-Wert innerhalb von 18 Minuten wieder auf 458 ppm absinkt. Im Vergleich dazu sinkt der CO₂-Wert am Donnerstag, dem 23. Juni 2022 nach der MINT- und Medien-AG extrem langsam von 668 ppm um 11:17 Uhr auf 434 ppm (parts per million) erst am Folgetag um 7:04 Uhr. Man hatte vergessen zu lüften und das Kohlendioxid knapp 20 Stunden sich selbst überlassen – genug Zeit, sich aus dem Raum zu verflüchtigen. Erst am nächsten Tag zum Workshop Hacking als Beruf wurde wieder regelmäßig für Frischluft gesorgt.

In einem Lernumfeld, wie einem Schüler:innen-Labor, lohnt es sich besonders auf regelmäßiges Lüften zu achten. Denn frische Luft verringert nicht nur die Aerosollast im Raum; sie wirkt sich zudem positiv auf unsere Konzentrationsfähigkeit aus. Mit einer langfristigen, datenbasierten Beobachtung lässt sich eine relative Mindestlüftungszeit festlegen in Abhängigkeit davon wie viele Teilnehmer:innen gerade vor Ort sind und vor allem wie hoch der CO₂-Wert in einem Raum bereits angestiegen ist.

Unser Beispiel vom Robotik-Workshop zeigt, dass wenn der CO₂-Wert einmal 920 ppm erreicht hat, 18 Minuten Lüften in diesem Raum nicht mehr ausreichen, um den Wert auf die anfänglichen, idealen 408 ppm zu bringen, zumindest nicht, wenn sich die 18 Schüler:innen dabei im Raum befinden.

Wie die Messwertkurven vom 22. und 23. Juni 2022 im Vergleich zeigen, verringert sich die CO₂-Konzentration im Raum deutlich schneller, wenn das Fenster für ca. 20 Minuten geöffnet wird, als wenn die Raumluft nach Workshopende sich selbst überlassen wird. Solche Erkenntnisse können dem zuständigen Lehrpersonal bei einer verantwortungsvollen Pausenplanung helfen. Denn was sich nach ausreichend gelüftet anfühlt, ist manchmal in der Realität nicht ausreichend genug.

CO₂ sichtbar machen – die Hardware

Bevor wir weiter den Spuren des Kohlendioxids folgen, sehen wir uns einmal genauer an, mit welchen Detektivtools die Betreiber:innen ausgestattet worden sind. In der Pilotphase des COMo-Projekts haben wir unseren Teilnehmer:innen den ERSCO₂ Lite Sensor kostenfrei zur Verfügung gestellt, um über einen längeren Zeitraum die CO₂-Werte in ihren öffentlich zugänglichen Räumen zu erfassen.

Der ERSCO₂ Lite Sensor eignet sich besonders gut für unser Projekt, da er LoRaWAN unterstützt, ein spezielles Netzwerk, mit dem viele Open Source Projekte arbeiten. Die Kosten für einen Sensor in der Lite Variante liegen bei rund 170 Euro, dies ist natürlich eine kleine Investition. Grundsätzlich kann dieser Sensor drei unterschiedliche Werte messen: Temperatur, Luftfeuchtigkeit und CO₂-Gehalt. Da die kostenfreie Version von LoRaWAN allerdings nur ein begrenztes Datenvolumen vorsieht, haben wir den Sensor so konfiguriert, dass nur die CO₂-Werte gemessen werden. Ein reiner CO₂-Sensor kann wesentlich kostengünstiger gebaut werden. Wenn Du also gerne bastelst und lötest, und deine CO₂-Messwerte auf der Stadtpuls-Plattform zur Verfügung stellen willst, dann schaue dir unsere Bauanleitung an. Und falls Dein Herz für’s Hacken schlägt, schau doch in das GitHub repository unserer COMo-Webseite.

CO₂ sichtbar machen – ab welchem Wert wird es bedenklich?

Sowohl die Wissenschaft als auch politische Verwaltungsinstitutionen, wie Gesundheitsämter, machen sich vermehrt Gedanken über CO₂-Richtwerte. Auch wir im COMo-Projekt orientieren uns an einer Tabelle, die wir gemeinsam mit unserer Wissenschaftspartnerin, der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin (HTW), erarbeitet haben.

Ein CO₂-Beat der Musik-Community. Der Sensor bei noisy Rooms

Jetzt wo wir unser Equipment für die CO₂-Spurensuche kennen, statten wir noisy Rooms einen Besuch ab. Noisy Rooms ist ein Proberaumkomplex mit 23 Räumen unterschiedlichster Ausstattung, einem angeschlossenem Zubehör-Shop und einem Gastrobereich auf dem RAW-Gelände mitten im kreativen Herzen Berlins. Noisy Rooms ist aber noch mehr, es ist eine lebendige, lokal-verwurzelte Community, die von Profimusiker:innen über Hobbygitarrist:innen auch Jugendliche und Schüler:innen zusammenbringt. Die Betreiber:innen legen viel Wert auf Nachhaltigkeit und Transparenz und entschieden sich deswegen am COMo-Projekt teilzunehmen.

Für unsere Data Story (Sensor 110) analysierten wir einen Zeitraum von zwei Wochen vom Montag, dem 4. Juli bis Sonntag, dem 17. Juli 2022. Das CO₂-Liniendiagramm schlägt so kontinuierlich aus wie ein Beat und erzählt die Geschichte eines regelmäßig belegten Raumes durch unterschiedlich viele Musiker:innen unterschiedlichen Temperaments.

Der Room 11, in dem der COMo-Sensor angebracht ist, ist ein PRO Room und bietet auf 37 Quadratmetern vier bis sieben Personen Platz, wobei natürlich auch Solo geübt werden kann. Die Betrachtung der Daten vor dem Hintergrund unserer CO₂-Richtwertetabelle zeigt, dass die Musiker:innen die überwiegende Zeit bei guten bis mäßigen Werten proben.

Innerhalb der zwei Wochen gibt es jedoch zwei Ausreißer-Peaks, die wir uns im Detail anschauen wollen. Am Freitag, dem 8. Juli 2022 stiegen die CO₂-Werte buchstäblich durch die Decke, denn die an der Decke angebrachte automatisierte Lüftungsanlage kam dem CO₂-Anstieg nicht mehr hinterher – um 11 Uhr lag der Wert bei bedenklichen 2.334 ppm.

Da wir explizit keine personenbezogenen Profile im COMo-Projekt erstellen wollen, haben wir nicht abgefragt, welche Bands in den zwei Wochen in Room 11 geprobt haben. Der 2.334 ppm Peak kann folglich auf zwei unterschiedliche Arten interpretiert werden: Entweder war der Raum mit mehr Personen belegt als die maximale Personenanzahl vorsieht oder die im Raum befindlichen Musiker:innen tobten sich physisch bei ihren Proben besonders aus. Denn die körperliche Aktivität ist tatsächlich ein wichtiger Faktor in der Modellierung von CO₂-basierten Lüftungskonzepten. Je mehr sich eine Person bewegt, z.B. bei einem fordernden Schlagzeug-Solo, umso mehr Kohlendioxid stößt diese aus. Auch Sänger:innen kommen auf einen hohen CO₂-Ausstoß, da Singen mehr Luft verbraucht als ein ruhiger Bass. Durch den Wärmeauststoß von Verstärkern und Co, der einige Musiker:innen zusätzlich zum Schwitzen bringt, kann sich ebenfalls die CO₂-Konzentration im Raum erhöhen.

Die Betreiber:innen können anhand der Daten erkennen, dass die Berechnung der maximalen Raumbelegung auch die Art des Musizierens und des verwendeten Equipments berücksichtigen sollte.

CO₂ sichtbar machen – das Netzwerk

Wir kennen bereits unser Equipment, mit dem wir die Spuren des Kohlendioxids nachverfolgen können. Um die mit den Sensoren gemessenen Daten zu verschicken, nutzen wir im COMo-Projekt das LoRaWAN-Netzwerk. Das Netzwerk bildet die Grundlage des sogenannten Internet of Things (IoT) und ist der zweite essentielle Teil des Open Source-Projekts.

Auch wir nutzen das LoRaWAN-Netzwerk von TTN, um die gemessenen Daten auf der COMo-Plattform und Stadtpuls sichtbar zu machen. Die kostenfreie Variante ermöglicht einen sofortigen, unkomplizierten Einstieg, begrenzt aber das Datenvolumen, welches gesendet werden kann. Glücklicherweise reicht uns das aus, um genügend CO₂-Messdaten zu sammeln und erste Datenmuster zu beobachten. Erwähnenswert ist auch, dass der Erfolg einer Datenmessung wesentlich von der LoRaWAN-Abdeckung abhängt. Sind viele Gateways in Betrieb, können die gesammelten Daten gut gesendet werden. Um die Abdeckung mancherorts zu verbessern, haben wir mehrere In- und Outdoor Gateways Betreiber:innen zur Verfügung gestellt. Und kommen mal gar keine Daten an, so wird den Betreiber:innen ein “Data Error” angezeigt und das COMo-Team hilft beim Trouble Shooting weiter.

CO₂ kennt keine Wochenenden. Der Sensor auf Schloss Biesdorf

Unser letzter Ausflug auf den Spuren des Kohlendioxids führt uns ins Schloss Biesdorf, das als Einrichtung zum Fachbereich Kultur des Bezirksamtes Marzahn-Hellersdorf gehört. Das malerische Ensemble aus Schloss und Park ist eine eigene Landmarke in der kulturellen Landschaft Berlins und beherbergt die kommunale Galerie des Bezirkes, Kunstvermittlung, Gastronomie und Veranstaltungen diverser regionaler Kulturpartner:innen. Als öffentliche kulturelle Einrichtung haben sowohl die Veranstalter:innen als auch die Künstler:innen ein großes Interesse an zuverlässiger Planung, weswegen sie sich dem COMo-Projekt anschlossen.

Für unseren Data Showcase (Sensor 108) schauten wir uns im Musiksalon von Schloss Biesdorf ein Sonntagskonzert am 10. Juli 2022 an. Der kurze und dafür intensive Betrachtungszeitraum der ersten Tageshälfte, von 8 Uhr morgens bis 14 Uhr mittags, erzählt die Geschichte einer umsichtigen Veranstaltung.

Das Wetter am 10. Juli 2022 ist sommerlich leicht und die Stimmung gut, als die Musiker:innen gemeinsam mit den Betreiber:innen gegen 8:30 Uhr mit dem Aufbau im Musiksalon anfangen, denken sie an alles Mögliche, nur nicht an CO₂-Werte. Und so klettern diese unbeobachtet innerhalb von eineinhalb Stunden um 10:01 Uhr auf bereits bedenkliche 1.177 ppm. Als einer der Betreiberinnen beim Stühlerücken der kleine, weiße Sensor ins Auge fällt, schaut sie auf ihrem Smartphone “zur Sicherheit” die Werte nach und ist sichtlich überrascht. Trotz hoher Decken und einer hellen, lichtdurchlässigen Architektur: bleiben die Fenster geschlossen, staut sich das Kohlendioxid.

Glücklicherweise fällt dieser Umstand noch vor dem Einlass um 10:30 Uhr auf, sodass die Fenster und Türen rechtzeitig geöffnet werden können. Innerhalb von 30 Minuten sinken die Werte auf unbedenkliche 516 ppm um 10:31 Uhr und nochmal 30 Minuten später auf exzellente 461 ppm zum Konzertbeginn um 11 Uhr.

Jeden zweiten Sonntag im Monat erklingt im Musiksalon ein Sonntagskonzert, von Freddy Mercury-Interpretationen über Klassik, bis Jazz ist für jeden Musikgeschmack etwas dabei. Dementsprechend heterogen sind die Besucher:innengruppen, die oft sogenannte vulnerable Gruppen (Senioren, Vorerkrankte, immunschwache Personen) miteinschließen. Mit der Erfahrung der Messkurve vom Vormittag und dem stillen und unmerklichen Anstieg des CO₂-Werts wurde die Entscheidung getroffen, während des Konzerts die Fenster leicht geöffnet zu lassen, um allen Gästen ein möglichst sicheres Musikerlebnis zu bieten.

Datenbasierte Raumbeobachtungen, wie im Schloss Biesdorf bieten sowohl Veranstalter:innen als auch zahlreichen Künstler:innen eine höhere Planungssicherheit. Denn hat man seinen Raum einmal auf diese Art kennengelernt, dann weiß man, dass selbst die anmutigste Architektur nicht vor schlechter Luft schützt, sondern nur das richtig geöffnete Fenster.

CO₂ - Ein eigensinniges Molekül

Auf unserer Expedition durch laute, gut gelüftete Berliner Innenräume konnten wir einiges über Raumluft und das eigensinnige Kohlendioxid lernen. Anhand der drei Beispiele wurde gezeigt, wie wir mithilfe von Sensoren auf die individuelle Nutzung von Innenräumen eingehen können.

In einer komplexer werdenden Welt steigen die Anforderungen an uns alle unabhängig davon, ob wir Veranstalter:innen, Künstler:innen, Betreiber:innen oder einfach Bürger:innen sind. Eine nachhaltige Infrastruktur, wie sie mit LoRaWAN und Open Source-Code, möglich ist, bietet die Grundlage für datenbasiertes Arbeiten. Sensoren befähigen uns dazu Dinge zu sehen und zu begreifen, die sonst unsichtbar und kaum erfahrbar bleiben. Dadurch ermöglichen sie uns unsere individuellen Handlungsspielräume sicherer zu gestalten.

Solltest auch du Lust bekommen haben, die CO₂-Konzentration zu messen und öffentlich sichtbar zu machen, dann verbinde gerne deinen eigenen Sensor mit unserer COMo- oder der Stadtpuls-Plattform!

COMo ist ein Open Source-Projekt

Wir glauben fest an die Idee von Open Source und wenden diese Arbeitsweise immer dort an, wo es uns möglich ist. Deswegen haben wir den Code für unsere COMo-Plattform öffentlich zugänglich in einem GitHub Repository abgelegt. Wenn du also mehr darüber erfahren willst, wie wir im Detail gearbeitet und gecoded haben, dann schaue gerne bei uns auf GitHub vorbei.

COMo ist ein Projekt der Technologiestiftung Berlin in Zusammenarbeit mit der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin und den Initiatoren, der KOING GmbH, mit Förderung der Senatskanzlei Berlin.

Besonderer Dank

Vielen Dank an das Team von Stadtpuls vom CityLAB Berlin, das uns die Plattform für unsere Data Story zur Verfügung gestellt hat. Wir danken auch allen COMo-Teilnehmer:innen, die aktiv am Projekt teilnehmen, dauerhaft Daten sammeln und diese für die interessierte Stadtgesellschaft öffentlich machen.