Wo gehobelt wird, da fallen Späne

metallurgische Betrachtung von Heizdrähten

Eine Frage geistert immer wieder durch die Community… was tun wir unserem Körper mit dem Dampfen an? Und dabei kommt die Sprache auch regelmäßig auf das Metall unserer Heizwendeln.
Es wird wild spekuliert, dass sich da ja Metall lösen würde, welches man inhaliert. Dann kommen noch Märchen aus der Presse hinzu, in denen bestimmte Metalle in die böse Ecke gestellt werden… teils ohne wissenschaftliche Belege… nur aufgrund von Behauptungen aus mehr oder weniger seriösen Quellen. Was bleibt? Niemand weiß nix genaues nicht!

Gerade weil zu dem Thema immer wieder Horrormeldungen in die Öffentlichkeit posaunt werden, habe ich mich des Themas angenommen. Klar, eine wissenschaftliche Studie kann ich nicht bieten, das übersteigt meine Möglichkeiten und Mittel. So habe ich mir überlegt, welche Ansätze sich anbieten. Ich werde zunächst einmal das wiedergeben, was ich von Experten zu dem Thema in Erfahrung bringen konnte.

Wer könnte wohl besser Informationen zu dem Thema liefern als ein Wissenschaftler, der sich beruflich mit Metallen und deren Eigenschaften befasst. So habe ich mir eine Fragestellung erdacht, anschließend eine große Zahl metallurgischer Institute an Universitäten in Deutschland, Österreich und der Schweiz herausgesucht und mich an Mitarbeiter dort gewandt. Dabei habe ich versucht, diejenigen auszuwählen, die sich insbesondere auch mit thermischer Belastung von Metallen befassen.
Was von vornherein klar war… ich habe da keine Untersuchung oder Studie in Auftrag gegeben, sondern um Stellungnahmen gebeten. Mir ging es um realistische Einschätzungen (evtl. untermauert von Daten aus anderen Forschungsvorhaben), mit wie viel Material, das sich tatsächlich aus dem Heizdraht löst, man den rechnen kann und muss. Die Rahmenbedingungen habe ich insofern vorgegeben, als dass ich die Kühlung / Benetzung der Metalloberfläche durch Liquid erwähnt habe und die gängigsten Heizleiter-Legierungen als Objekt der Betrachtung vorgegeben habe. Da die Temperatur der Wicklung noch immer nicht genau bestimmt wurde, habe ich einen Temperaturbereich von 120 bis ca. 300° C vorgegeben. Außerdem habe ich noch nach dem Verhalten der Metalle bei Erhitzung zum Rot- bzw.Weißglühen gefragt.

Sehr geehrter Herr / Frau,   mein Name ist Daniel Hagemeister-Biernath und ich bin ehrenamtlich für eine Hobby-Zeitschrift als Chefredakteur tätig. Bei der Zeitschrift handelt es sich um das DAMPFERmagazin, eine Fachzeitschrift für den Bereich des elektrischen Dampfens (landläufig auch E-Zigaretten genannt, wobei der Begriff mehr als unglücklich ist). Für meine Artikel pflege ich stets ausgiebig zu recherchieren und ich befasse mich mit relativ speziellen Themen, die die Konsumenten interessieren. In den vergangenen Monaten verfolgte ich eine immer wieder aufkommende Diskussion über „bedenkliche“ Metalle in den verwendeten Heizdrähten. Falls Ihnen das Funktionsprinzip der Dampfgeräte nicht geläufig ist, hier eine ganz kurze Beschreibung. In den Dampfgeräten wird eine Flüssigkeit (Liquid) vernebelt, die aus den Hauptkomponenten Glycerol, Propylenglycol und ein wenig Wasser (ca. 10 %) besteht. Zur Vernebelung wird eine kleine Heizspirale aus Widerstandsdrähten mittels einer Stromquelle (ca. zw. 3 und 8 Volt) erhitzt. Die Heizspirale wird mit Hilfe eines geeigneten Trägermaterials kontinuierlich mit dem Liquid versorgt, so dass sie ständig damit benetzt ist. So entstehen an dem eigentlichen Draht Temperaturen von ca. 120 bis max. knapp 300° C. Die häufigsten verwendeten Heizdraht-Legierungen sind Kanthal (drei Sorten; Cr 22%, Al 5,3%, Fe Rest / Cr 22%, Al 5,8%, Fe Rest / Cr 22%, Al 4,8%, Fe Rest) und Nickel-Chrom (Ni 80%, Cr 20%). Viele Konsumenten der Dampfgeräte befürchten nun, dass sich beim Erhitzen des Drahtes Teile des Metalls lösen und so mit dem Aerosol inhaliert werden könnten. Gerade Personen mit einer Nickel-Allergie haben diesbezüglich große Bedenken. Ich selbst verfüge zwar über erweiterte Grundkenntnisse der Chemie und Physik, bin aber nicht in der Lage diese Möglichkeit abzuschätzen. Nun hoffe ich von ihnen eine kompetente Einschätzung (wirklich lediglich eine Einschätzung) dieses Problemfeldes zu erhalten. Meine Frage konkret: Der ständig durch Liquid gekühlte Heizdraht weist eine durchschnittliche Materiallänge von ca. 5 bis 10 Zentimetern bei einer Materialstärke von 0.2 bis 0.5 mm auf. Ist ein relevanter Abtrag bzw. ein Herauslösen der Legierungsbestandteile bei Temperaturen zwischen 120 und 300° C wahrscheinlich? Der Draht wird im Durchschnitt netto ca. 15.000 Sekunden erhitzt, wobei die eigentlichen Erhitzungsphasen im Bereich von 2 – 10 Sekunden liegen. Nach dieser Lebensspanne ist nach Reinigung keine nennenswerte optische Materialbeeinflussung zu erkennen. Zur Zwischenreinigung der Heizspirale führen viele Konsumenten einen sogenannten Dryburn durch (nach ca. 5 Tagen Nutzung, was ca. 7.000 Sekunden entspricht), weil sich auf der Oberfläche eine Kruste aus Resten der verwendeten Aromabestandteile bildet. Dazu wird das Liquid-Transportmedium entfernt und die Spirale für ca. 5 – 10 Sekunden trocken zum Glühen gebracht (kirschrot bis ausnahmsweise nahezu weißglühend) anschließend werden die gelösten Bestandteile mit fließend Wasser abgespült und die Wendel getrocknet. Dabei entstehen selbstverständlich höhere Temperaturen, die aber allesamt noch deutlich unter der maximalen Arbeitstemperatur (diese liegt, je nach Legierung,  bei 1.200 – 1.400° C) der Heizdrähte liegen sollte. Ist es wahrscheinlich, dass sich dadurch das in der ersten Frage angesprochene Verhalten verändert? Ich würde mich sehr freuen, von Ihnen eine Einschätzung zu bekommen. Es geht mir ausdrücklich nicht um wissenschaftlich exakte Angaben, die nur experimentell zu erlangen wären, sondern um eine persönliche Einschätzung auf Grundlage Ihrer Erfahrungen und Ihrer Kompetenz. Ich persönlich schätze es so ein, dass im Aerosol keine wirklich relevanten Mengen von Metall-Partikeln enthalten sein dürften. Ich bin jedoch wirklich ein Laie und habe auch auf anderen Gebieten rund um das Thema Dampfen manchmal gestaunt, wenn ich Informationen von Fachleuten zu bestimmten Fragen erhalten habe (kürzlich erst bei einem Artikel zum Thema Lebensmittelaromen die beim Dampfen Anwendung finden und für den ich den Verband der deutschen Aromahersteller kontaktieren durfte). Gerne dürfen Sie diese Fragen auch in Ihrem Kollegenkreis weitergeben. In der Hoffnung, mein Anliegen verständlich vorgetragen zu haben und in Erwartung einer Antwort ihrerseits verbleibe ich mit freundlichen Grüßen Daniel Hagemeister-Biernath

Das Ergebnis war mehr als ernüchternd. Von knapp 40 gefragten Wissenschaftlern erhielt ich insgesamt lediglich zehn Antworten. Es waren da dann auch „Absagen“ dabei, so dass ich letztlich auf die Erfahrungen und Meinungen von fünf Wissenschaftlern beschränkt war, die auch nicht explizit in dem Zusammenhang genannt werden wollten, mir aber doch wertvolle Einblicke geben konnten. Einem Dr. eines deutschen Instituts war die Dampferei offenbar sogar nicht fremd, denn er verwies mich auf eine Studie, die auf die Bestimmung von Metallen im Aerosol eingeht und vergleichbare Werte liefert.
Übereinstimmend erhielt ich die Einschätzung (die aufgrund der Erfahrung der Experten auf diesem Gebiet nicht einfach von der Hand zu weisen ist), dass bei den „normalen“ Betriebstemperaturen der Wendel eine kaum nachweisbare Lösung von Komponenten der Legierungen zu erwarten ist. Es bildet sich sehr schnell eine wenige „Moleküllagen“ dünne Oxidschicht an der Oberfläche, die ein direktes Lösen aus dem Metall ohnehin verhindert. Chemische Wechselwirkungen zwischen dem warmen Metall (-oxid) und den Komponenten des Liquids sind nach Auskunft der Metallurgen nahezu nicht zu erwarten, insbesondere, weil die dafür aktivste Komponente im Liquid – das Wasser – nur in einem geringen Anteil vorhanden ist. Die Angaben bezüglich des Nickel-Chrom-Drahtes (NiCr) bei einer angenommenen Länge von 6 cm und einem Durchmesser von 0.3 mm lagen bei geschätzten und erwarteten 1 – 5 Nanogramm, wenn der Draht für ungefähr eine Minute bis ca. 300° C erhitzt wird.
Nun das ist mal eine Zahl, mit der man weiter rechnen kann. Auf jeden Fall ist das weniger als 1/1000 der Menge, wie sie beispielsweise in Inhalations-Arzneimitteln zugelassen ist und ungefähr so viel wie in einem Kubikmeter nordkanadischer Bergluft.
Insgesamt ist nach übereinstimmender Meinung der Metallurgen keine nennenswerte Abgabe von Metall aus dem Heizdraht zu erwarten, sofern er bei diesen Bedingungen betrieben wird.

Bei einem Dryburn sieht die Sache geringfügig anders aus. Hier wird der Heizdraht ohne Kühlung deutlich höher erhitzt und es wurde geschätzt, dass es zu einer bis zu 10fach höheren Materialablösung kommen könnte. Auch die dabei zu erwartenden Mengen liegen noch deutlich unter dem Bereich, wie er in unser Umwelt vorkommt. Allerdings sollte man bei einem Dryburn die erhitze Luft (dann mit den Spuren von Metall) auch nicht inhalieren. Eine anschließende Reinigung der Heizwendel mit fließendem Wasser unter Zuhilfenahme beispielsweise einer Zahnbürste versteht sich von selbst. Somit ist nach Ansicht der Fachleute keine Gefahr durch Abgabe von Metallen aus dem Heizdraht zu erwarten.
Die Temperaturen, bei denen es zu einer Ausgasung aus dem Heizdraht kommt, werden auch bei einem Dryburn nicht erreicht.

Es scheint ein Effekt des Rauchstopps zu sein, dass etliche Umsteiger auf das Dampfen plötzlich ganz extrem auf das achten, was sie nun zu sich nehmen. Die tausende Giftstoffe und krebserregenden Stoffe der Pyros wurden bedenkenlos Tag für Tag inhaliert und Bedenken oder Warnungen wurden mit einer raschen Handbewegung weggewischt. Doch mit dem Umstieg wirft sich die Stirn etlicher wegen möglichen Nanogramm Nickel oder anderer Stoffe in tiefe Falten. Was dabei oft aus den Augen verloren wird ist die Tatsache, dass auch ein tiefer Atemzug Stadtluft… oder wie erwähnt sogar kanadischer Bergluft… meist mehr „Schadstoffe“ enthält, als ein ordentlicher Zug an der Dampfe. Dabei ist es eigentlich mit ein wenig Logik ganz einfach nachvollziehbar, dass wir uns mit dem Erhitzen der Heizwendel keiner gesundheitlichen Belastung aussetzen. Das fängt schon einmal bei der Menge des Materials an. Ein Stück NiCr mit einem Durchmesser von 0,2 mm und einem Widerstand von 1.3 Ohm wiegt 0,0225 g und enthält in der Legierung insgesamt 18,00 mg Nickel. Ein Stück 0,30er NiCr mit 1 Ohm Widerstand wiegt 0,025755 g und enthält 20.604 mg Nickel in der Legierung. Schaut man sich ein Stück Heizdraht nach ein paar Wochen Benutzung an, so wird man keine wirklich sichtbare Abnahme des Materials feststellen können. Wie viel Nickel wird also da „verloren“ gegangen sein. Dazu muss man einfach mal den Verstand einschalten und wird zu dem Schluss gelangen, dass die von den Metallurgen angegebenen Werte mit Sicherheit der Realität entsprechen. Bei unserem Heizdraht handelt es sich um ein massives Material und nicht um ein Gemisch aus feinem Metallstaub. Eine Legierung ist nicht so einfach in die Bestandteile zu zerlegen. Die Legierungen unserer Heizleiter sind Gemische aus verschiedenen Metallen, die beim Erstarren ein einheitliches Kristallgitter erzeugen. Die einzelnen Komponenten sind also nicht getrennte Schichten, sondern in einem bestimmten Verhältnis durchmischt. Nickel-Basislegierungen sind sehr stabile Legierungen mit besonders hoher Korrosions- und Hochtemperaturbeständigkeit. Damit sind sie selbst bei Erhitzung und unter Einfluss unseres Liquids stabil. Selbst in chlorfreiem Wasser weisen sie eine Temperaturbeständigkeit von über 500° C auf.

Weshalb ich so auf NiCr herum reite? Nun, es handelt sich um eine gängige Heizleiterlegierung und Nickel ist allergologisch nicht ganz unproblematisch. Allerdings tritt eine Nickelallergie vorwiegend als Kontaktallergie auf. Durch Hautkontakt in Verbindung mit Körperschweiß kommt es zu allergischen Reaktionen. Damit kann es für Allergiker problematisch sein, NiCr Draht mit bloßen Händen zu verarbeiten. Der Einsatz von NiCr als Heizleiter selbst ist hingegen unproblematisch. Die unter Umständen freigesetzte Menge an Nickel ist derart gering, dass sie deutlich unter den Werten liegt, die man mittels Tee, Kakao oder Kaffee oder durch den Genuss von Getreideprodukten zu sich nimmt. In ganz seltenen Fällen reagieren Menschen auch auf diese Lebensmittel mit allergischen Reaktionen. Solche Patienten sollten dann doch lieber auf Kanthaldraht ausweichen. Alle anderen brauchen jedoch keine Reaktionen durch Verwendung einer solchen Heizwendel zu fürchten.
Allerdings liest man häufig, dass Reaktionen bei Verwendung solcher Heizdrähte auftreten. Das ist dann aber eher ein psychologischer Effekt. Auch in diesen Fällen kann aber auf andere Heizleiter-Legierungen umgestiegen werden. Jedenfalls ist das Auslösen einer allergischen Reaktion durch „aus dem Heizleiter freigesetztes Metall“ nahezu ausgeschlossen.

Kanthal ist eine Legierung aus Eisen, Chrom und Aluminium, die ebenfalls ausgesprochen hohe Temperaturfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweist. Dass sich Chrom oder gar Aluminium aus dem Heizleiter löst ist nach Meinung der befragten Metallurgen genau so unwahrscheinlich und bewegt sich in vergleichbaren Größenordnungen, wie beim NiCr-Draht. Aluminium ist ja ebenfalls in Verruf geraten und es wird gerne durch die Presse und verschiedene Institutionen so dargestellt, als sei es giftig (ja, das habe ich so schon gelesen) und würde verschiedene Krankheiten, wie Krebs oder Alzheimer auslösen. Wissenschaftliche Nachweise dafür gibt es allerdings nicht und selbst durch das ausgesprochen kritische BfR wird Aluminium als unbedenklich eingestuft. Als „Beweis“, dass Aluminium für Alzheimer verantwortlich ist, wird die Erkenntnis herangezogen, dass in den Eiweißmolekülen betroffener Hirnbereiche erhöhte Aluminium-Konzentrationen gefunden wurden. Allerdings wird da nicht der Ei-Henne-Effekt beachtet, sondern einfach knallhart gefolgert, das Aluminium würde sich da konzentrieren und zu der Krankheit führen. Es wird nicht in Betracht gezogen, dass die krankhaft veränderten Bereiche eventuell besonders geeignet sind, dort mehr Aluminium einzulagern. Irgendwie kommt mir diese einseitige Betrachtung in Verbindung mit unbelegten Behauptungen bekannt vor… uns geht es mit dem Dampfen teilweise nicht anders.
Aber egal… auch aus Kanthal werden nur so wenige Metall-Atome freigesetzt, dass es im Dampf zu geringeren Konzentrationen als in der normalen Raumluft kommt.

Abschließend kann also behauptet werden, dass wir durch die Benutzung unserer Heizleiter keine erhöhten Werte an Metallen inhalieren. Dass sich unter Umständen ein wenig Material „verflüchtigt“, wenn ein 3börn durchgeführt wird, ist zu erwarten. Auswirkungen lassen sich aber durch entsprechende Reinigung im Anschluss ganz einfach vermeiden. Es besteht kein Grund zur Panik und es besteht auch kein Grund, bei Allergien bestimmte Heizleiter zu vermeiden, sofern man sie nicht mit bloßen Händen verarbeiten muss.

Insgesamt stünde uns Dampfern, was die teilweise vorherrschende Panik vor „Schadstoffen“ anbelangt, ein wenig mehr Gelassenheit gut zu Gesicht. Denn einerseits handelt es sich meist um sehr geringe Mengen von möglichen Schadstoffen, denen wir in anderen Bereichen in wesentlich höherer Konzentration ausgesetzt sind und andererseits liefern die immer währenden Diskussionen über dieses Thema regelmäßig neue Munition an unsere Gegner, die sehr wohl sehr genau alles verfolgen, was in Kreisen der Community so geschrieben und diskutiert wird.

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http://www.eesom.com/go/ZZ9TTDQKDCTTGNAN948LVMXZUU92YBBA
http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/umat/metalle/metalle.htm (Wayback-Archive)
http://ruby.chemie.uni-freiburg.de/Vorlesung/metalle_1_2.html
http://netchemie.de/lexikon/Metalle.html
http://tobaccoanalysis.blogspot.ca/2013/04/metals-in-electronic-cigarette-vapor.html
http://www.usp.org/sites/default/files/usp_pdf/EN/USPNF/key-issues/c232_final.pdf
http://www.wilderness-international.org/media/downloads/luft.pdf
http://www.bfr.bund.de/cm/343/keine_alzheimer_gefahr_durch_aluminium_aus_bedarfsgegenstaenden.pdf

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