Seit der Schulöffnung nach den Sommerferien 2020 ist der Umgang mit dem Coronavirus auch an den Schulen ein großes Thema geworden. Speziell das Thema Lüften steht dabei im Fokus. Da laut mehreren Studien der CO2-Gehalt der Raumluft eng mit der Verbreitung der Corona-Aerosole in Verbindung steht, lässt sich die Gefährdung in Räumen durch Messungen der CO2-Konzentration einschätzen . Um die Lüftungskonzepte zu überprüfen und zu optimieren, wurde an der Albert-Einstein-Schule unter der Leitung von Herrn Dr. Kühnel und Herrn Gläßner die AG „CO2-Messung“ ins Leben gerufen.
Um schnell zu einem Ergebnis zu kommen, wurden zunächst mobile Sensoren für die TI-nspire CX CAS Taschenrechner gekauft, die an der Albert-Einstein-Schule ab der achten Klasse verwendet werden. Hiermit konnte schnell festgestellt werden, dass die Vorgabe des Landes Hessen, alle 20 Minuten zu Lüften, auf jeden Fall eingehalten werden sollte. Schon nach 15 Minuten konnte ein signifikant erhöhter CO2 Gehalt in der Luft festgestellt werden.
Da die Sensoren für den CAS sehr kostenaufwendig sind, nur in geringer Menge zur Verfügung standen und die Bedienung zu wünschen übrigließ, wurde eifrig nach Alternativen gesucht. Wir haben uns dazu einschlossen, ein eigenes Messsystem aufzubauen. Das Herz der Messgeräte ist ein Mikrocontroller wie ein Arduino oder eine Mini Node MCU. Dieser steuert jeweils einen Airquality-Sensor wie den SGP30, der den CO2 -Gehalt der Luft von 0 bis 60.000 Teile pro Million (ppm) misst. Für den weiten Aufbau wurden zwei Möglichkeiten umgesetzt.

Für den ersten Aufbau bauten die Schülerinnen und Schüler der 10. Klasse eine CO2-Ampel. Dabei wurde der Sensor über einen Arduino Uno mit einer Steckbrett-Schaltung verbunden. Nähert sich der der CO2-Gehalt dem kritischen Wert von 800 ppm, schaltet die Ampel auf Gelb. Überschreitet er diesen, schaltet sie auf Rot. Dann muss so lange gelüftet werden, bis die Ampel wieder grün anzeigt.
Die zweite Lösung besteht aus Messgeräten, die ihre Daten zur Auswertung an einen Server schicken. Diese bleiben an einem Ort stehen und werden somit für eine Langzeitbeobachtung mehrerer Räume genutzt. Die Verbindung zum Internet wird dabei über ein Onboard WLAN-Modul hergestellt. Die aktuellen Messwerte werden alle 5 Sekunden an den Server übermittelt, dort mit Metadaten ergänzt und dann einer Datenbank namens InfluxDB gespeichert, welche für Zeitreihen optimiert ist. Zusätzlich wird täglich ein sicheres, verschlüsseltes Backup aller Datensätze erstellt, um Datenverlust zu verhindern. Die Daten können über ein Grafana-Dashboard angesehen werden, dieses visualisiert die Rohdaten in übersichtlichen Diagrammen und lässt sich nach verschiedenen Parametern wie Zeit oder Raum filtern. Grafana bietet auch erweiterte Funktionen wie z.B. einen Alarm bei zu hohen CO2-Werten, dieser ist aber aktuell nicht in Benutzung. Der Server wurde von einem Schüler installiert und verwaltet.
War das Programm einmal geschrieben, ging es an die Massenproduktion der Hardware. Diese besteht aus dem Mini Node MCU, einem SGP30, einem BME/ BMP280. Über den BME/ BMP280 können zusätzliche Daten wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck und Höhe festgestellt werden. Gerade die Temperatur war für die Wintermonate interessant, da es durch das ständige Lüften schnell kalt in den Räumen wurde. Als kleines Feature wurde in einem bauähnlichen Gerät ein Display integriert. Dies zeigt eine aktuelle Auswertung der Messdaten. Für alle Messgeräte wurden eigene Gehäuse mit einer CAD-Software entworfen und auf 3D-Druckern erstellt. Die dazu eingesetzten Drucker von Typ Prusa i3MK3s wurden der Schule von der Dr. Ute-Wolski-Stiftung aus Bad Soden zur Verfügung gestellt.
In Zukunft werden Visualisierungen der Daten auch auf der Schulhomepage und in der AES-App zu finden sein.

Lars Wichmann, Alexander Schneider