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Gleichgewicht zwischen ungeladenem und protoniertem Nikotin.
Herkömmliche Liquids enthalten vorwiegend basisches Nikotin, bei Zugabe von Säure (H+-Ionen) wird das in der Abbildung dargestellte Gleichgewicht nach rechts, also in Richtung der protonierten Form verschoben. Das in den Liquids der Firma Juul Labs enthaltene Nikotin wird durch Zugabe von Benzoesäure vollständig in die protonierte Form überführt, sodass eine neutrale Lösung mit positiv geladenem Nikotin und negativ geladener Benzoesäure (Benzoat) entsteht. Das entsprechende Nikotinsalz (Nikotinbenzoat) hat also im Zuge der Herstellung der Liquids niemals real als Salz existiert und existiert auch in Lösung nur formal in Form der beiden, voneinander durch Lösungsmittel getrennten, positiv und negativ geladenen Bestandteile. Eine Analogie wäre Kochsalz (NaCl), das in wässriger Lösung umgehend zu positiv geladenen Natrium- und negativ geladenen ChloridIonen dissoziiert.
Welche Konsequenzen hat die Nutzung von Liquids mit Nikotinsalzen anstatt der freien Base? Zunächst möchte ich feststellen, dass allfällige Wirkungen von Nikotin nach dessen Aufnahme aufgrund des im Körper exakt gepufferten pH-Werts unabhängig vom pH-Wert des Liquids oder des inhalierten Dampfs sind. Der Verzehr von mit Essig angemachtem Salat hat keinen Einfluss auf den pH-Wert des Körpers. In esoterisch angehauchten Schriften der Alternativmedizin wird zwar „Übersäuerung“ des Körpers gelegentlich für die Entstehung diverser Krankheiten verantwortlich gemacht (und zumeist ein angeblich Wunder wirkendes Heilmittel dagegen angeboten), diese Behauptungen sind aber wissenschaftlich unhaltbar. Metabolische oder respiratorische Störungen, die mit einer Erniedrigung des pH-Werts im Blut auf unter 7,35 einhergehen, werden als Azidosen bezeichnet, die in schwerwiegenden Fällen intensivmedizinische Behandlung erfordern.
Somit beschränken sich allfällige Unterschiede zwischen herkömmlichen Liquids und jenen mit Nikotinsalzen auf Ausmaß und Geschwindigkeit der Aufnahme von Nikotin sowie dessen Wirkung auf der Oberfläche sensorischer Zellen der Atemwege, die als leichte Reizung der oberen Atemwege (throat hit) verspürt wird. Die Verminderung der Atemwegsreizung durch Protonierung von Nikotin ist gut bestätigt und führt dazu, dass die Inhalation von Aerosolen mit höherer Nikotinkonzentration toleriert wird. In einem Selbstversuch habe ich einen entleerten Juul-Pod mit 20 mg/ml herkömmlicher Nikotinbasis gedampft und dabei ähnlichen throat hit verspürt wie mit der Standard US-Variante, die 60 mg/ml neutralisiertes Nikotin enthält. Somit ermöglichen Salzliquids ausreichende Nikotinzufuhr durch vergleichsweise leistungsschwache Podsysteme, ohne zu starke, als unangenehm empfundene Reizung der Atemwege.
Inwieweit Geschwindigkeit und Aufnahme von Nikotin durch Neutralisierung der Liquids beeinflusst werden, ist unklar. Die Aufnahme der meisten Stoffe erfordert deren Diffusion durch Zellmembranen. Da diese Membranen lipophil („fettfreundlich“) sind, können geladene Moleküle nicht passieren. In manchen Geweben erfolgt die Nikotinaufnahme zusätzlich über spezifische Transportproteine, aber auch in dem Fall nimmt die Geschwindigkeit der Aufnahme bei Erniedrigung des pH-Werts ab [90,91]. Es ist somit wissenschaftlich gesichert, dass die Aufnahme von Nikotin durch Ansäuern vermindert und durch Erhöhung des pH-Werts mit Basen beschleunigt wird. Diesem Faktum Rechnung tragend setzt die Industrie dem Tabak angeblich Ammoniak zu, um das Gleichgewicht von Nikotin in Richtung freier Base zu verschieben und so die Aufnahme von Nikotin zu beschleunigen. Juul Labs hat mit den Nikotinsalzen den umgekehrten Weg beschritten, sodass – entgegen den Behauptungen der Firma – gemäß Grundlagenwissen in Biochemie und Biophysik verzögerte Nikotinaufnahme zu erwarten wäre. Allerdings wurde hinterfragt, ob der pH-Wert von Tabakrauch tatsächlich Einfluss auf die Nikotinaufnahme hat, da geringfügige Unterschiede im pH-Wert des inhalierten Rauchs durch die physiologische Pufferung des Lungenepithels abgefangen würden [92]. Diese Überlegungen treffen gleichermaßen auf die Inhalation von Aerosolen aus E-Zigaretten zu. Es ist jedoch nicht auszuschließen, dass die physikalische Beschaffenheit des Aerosols der Salzliquids bessere Lungengängigkeit der Aerosol-Partikel und damit beschleunigte Nikotinaufnahme zur Folge hat [93]. Eine publizierte Pilotstudie lieferte erste Hinweise auf anscheinend effizientere Aufnahme von Nikotin aus angesäuerten Liquids, aber die statistischen Abweichungen der Ergebnisse und die relativ kleine Zahl der für diese Frage relevanten Messergebnisse erlauben keine definitiven Schlussfolgerungen [94]. Dazu wäre eine ausreichend große klinische Studie mit vergleichenden pharmakokinetischen Daten der Nikotinaufnahme erforderlich.
4. Funktion von E-Zigaretten
E-Zigaretten sind in unüberschaubarer Vielfalt am Markt. Die Palette reicht von kleinen, zigarettenförmigen Wegwerfgeräten, Cigalikes genannt, über relativ handliche Pod- und Tanksysteme bis hin zu schweren Geräten, die man auch als Totschläger verwenden könnte (Abb. 3). Abbildung 4 zeigt einige heute gebräuchliche Varianten, die alle nach demselben Prinzip funktionieren. Das Herzstück ist eine Verdampferkammer, in der sich eine Drahtspule mit einem Watte- oder Baumwoll-Docht befindet. Die Drahtspule wird gemeinhin als Wicklung (englisch: Coil) bezeichnet. Der Docht wird laufend mit Flüssigkeit, dem Liquid, versorgt, ohne dabei die Verdampferkammer zu fluten. Dazu wurden unterschiedliche Systeme entwickelt, deren Funktionen ebenso wie deren Vor- und Nachteile in den sozialen Medien und in zahlreichen Youtube-Videos detailliert beschrieben und diskutiert werden.
Abbildung 3: Größenvergleich: Vapor Giant mit zwei gestackten 26650 Akkus und 17 ml Tank vs. Juul.
Abbildung 4: Gebräuchliche Varianten von E-Zigaretten (Auswahl). Von links: Cigalike, Podsystem, verschiede Tanksysteme (3x), RDA (Rebuildable Dripping Atomizer = wiederherstellbarer Tröpflerverdampfer).
Die Wicklung wird elektrisch erhitzt, wobei der Strom von einer Batterie oder einem aufladbaren Akku geliefert wird. Zumeist betätigt man dazu einen Knopf am Gerät. Manche E-Zigaretten, vor allem Cigalikes, sind mit einem drucksensitiven Sensor („Zugautomatik“) ausgestattet, der bei Unterdruck, der durch das Ziehen entsteht, den Stromkreis schließt. Durch die Erhitzung der Wicklung wird das Liquid im Docht verdampft, der Dampf über ein Mundstück abgesaugt und inhaliert. Bei bestimmungsgemäßem Gebrauch sollte Liquid permanent nachfließen und den Docht mit ausreichend Flüssigkeit versorgen. Der grundlegende Aufbau von E-Zigaretten ist in Abbildung 5 schematisch dargestellt.
Der wesentliche Parameter bei der Verdampfung des Liquids ist die Temperatur an der Wicklung. Der typische Temperaturbereich beträgt 150 bis 250 °C, wobei die Temperatur von der Leistung des Setups (Einheit: Watt) abhängig ist. Zur Erinnerung an den Physikunterricht: Die Leistung P ist das Produkt aus Spannung (U) und Stromstärke (I), also P (Watt) = U (Volt) x I (Ampere). Gemäß dem Ohm‘schen Gesetz entspricht die Stromstärke I dem Quotienten aus Spannung und Widerstand, also I (Ampere) = U (Volt)/R (Ohm). Wenn man diesen Ausdruck in die Formel für die Leistung einsetzt erhält man P = (U2)/R, die Leistung nimmt also mit dem Quadrat der angelegten Spannung zu und ist indirekt proportional dem Widerstand der Wicklung. Dementsprechend verwenden Nutzer, die an hoher Leistung interessiert sind, Wicklungen mit niedrigem Widerstand.
Abbildung 5: Bestandteile einer E-Zigarette (aspire®), von links: Mundstück, Tank, Verdampferkopf, Base, Batterie.
Wie groß sind diese Parameter beim Dampfen? Die überwiegende Mehrheit der in E-Zigaretten verwendeten Akkus liefert voll aufgeladen maximal 4,2 Volt. Bei Geräten ohne elektronische Regelung („mechanischen Geräten“) wird die Leistung über den Widerstand der Wicklung eingestellt und nimmt mit Entladung des Akkus fortlaufend ab. Bei einem Widerstand von 1 Ohm würde ein solches Gerät zu Beginn (4,2)2 = 17,6 Watt liefern, nach Entladung des Akkus auf 3 Volt hingegen nur mehr 9 Watt. Dieser Abfall der Leistung erfordert relativ häufiges Wechseln des Akkus, sodass mechanische Akkuträger zunehmend vom Markt verschwinden und vorwiegend von Liebhabern benutzt werden, die das Dampfen als Hobby betreiben. Außerdem sind die meisten dieser Geräte mit keiner Schutzelektronik ausgestattet, die Überbelastung oder Tiefentladung des Akkus sowie Kurzschlüsse verhindern würde. Mechanisches Dampfen und Modifikation der Geräte durch Bastler sind der häufigste Grund für „explodierende E-Zigaretten“ (korrekt: ausgasende Akkus), über die dann lustvoll – zumeist mit Fotos der blutigen oder angebrannten Opfer illustriert – in den Medien berichtet wird. Solche Geräte sollten daher nur von erfahrenen Dampferinnen und Dampfern mit ausreichender Kenntnis der Materie benutzt werden. Es besteht allerdings keine Veranlassung mechanische Geräte gesetzlich zu verbieten. Sportwagen mit 500 PS überfordern manche Autofahrer, sind aber deshalb nicht verboten. In beiden Fällen sollten Konsumenten jedoch beim Kauf eingehend über die Risiken und die korrekte Handhabung der Geräte informiert werden.
Cigalikes, Podsysteme und kleine Akkuträger, die häufig von Einsteigern gekauft werden, sind mit Elektronik ausgestattet, die die Leistung über die gesamte Nutzungsdauer konstant hält (zumeist auf 3,5 bis 3,8 Volt). Diese Art von E-Zigaretten oder Akkuträgern nennt man getaktet. Abgesehen von der Sicherstellung gleichmäßiger Leistungsabgabe schützt die Taktung auch vor Tiefentladung des Akkus. Für langfristige Nutzung am sinnvollsten sind geregelte Akkuträger, auf die ein passender Verdampfer mit einem Tank für das Liquid aufgeschraubt wird. Die Regelung erlaubt variable Einstellung von Spannung oder Leistung. Mittlerweile wird anstatt der Spannung zumeist die Leistung eingestellt, sodass die abgegebene Dampfmenge unabhängig vom Widerstand der Wicklung ist. Zur Vermeidung des Trockenlaufens der Wicklung, was zum sogenannten Kokeln führen würde (siehe 5.1), stehen auch Geräte mit Temperaturbegrenzung zur Verfügung. Dazu werden Drahtmaterialen verwendet, deren Widerstand im Unterschied zum weit verbreiteten Kanthaldraht stark temperaturabhängig ist. Nickel, Titan oder Edelstahl sind die gebräuchlichsten Materialen. Bei ungenügendem Nachfluss von Liquid wird die Wicklung zunehmend heißer, was eine Erhöhung des Widerstands und damit einen Abfall der Leistung zur Folge hat. Temperaturkontrolle ist mittlerweile Standard bei den meisten höherpreisigen Akkuträgern. Aufgrund der verstärkten Emission gesundheitsschädlicher Carbonylverbindungen durch überhitzte Wicklungen (siehe 5.1) wird gelegentlich gefordert, E-Zigaretten ohne Temperaturkontrolle gesetzlich zu verbieten. Meines Erachtens ist das nicht gerechtfertigt, da das Dampfen trockener (kokelnder) Wicklungen äußerst unangenehm ist und daher von Nutzern vermieden wird. Auch handelsübliche Toaster erlauben Einstellungen, bei denen das Brot verkohlt, sind aber deshalb nicht verboten. Gesetzgebung sollte mit Augenmaß erfolgen und den Bürgerinnen und Bürgern nicht den letzten Rest an Eigenverantwortung nehmen. Im Folgenden werde ich kurz auf die verfügbaren Typen von E-Zigaretten eingehen. Für weitergehende Informationen verweise ich meine Leserinnen und Leser auf das Internet.
Cigalikes sind kleine Geräte in Zigarettenoptik mit Zugautomatik und LED am vorderen Ende zur Simulation der Zigarettenglut. In der einfachsten Ausführung sind das Wegwerfgeräte, wobei die Kapazität der Batterie der Liquidmenge im Depot angepasst ist. Es sind aber auch Varianten mit wieder aufladbaren Akkus und auswechselbaren Liquid-Depots am Markt. Die Grenze zur Kategorie der Podsysteme ist fließend. Cigalikes haben ihre Berechtigung, da sie Raucher durch Optik, Handlichkeit und sehr einfache Handhabung ansprechen und damit deren Bereitschaft zum Umstieg fördern könnten. Langfristig werden solche Geräte aber aufgrund ihrer geringen Leistung und kurzen Nutzungsdauer nicht zufriedenstellen. Daher besteht die Gefahr, dass potentielle Umsteiger aufgrund der Mängel und eingeschränkten Tauglichkeit dieser Geräte die gesamte Produktgruppe „E-Zigarette“ als mangelhaft bewerten und vom Umstieg abgehalten werden könnten.
Podsysteme sind etwas größer als Cigalikes und unterscheiden sich von diesen durch Fehlen der Zigarettenoptik. Sie bestehen aus aufladbaren Akkus mit etwas höherer Kapazität, auf die sogenannte Pods mit integriertem Verdampfer und Liquidtank aufgesteckt werden. Podsysteme sind in diversen Ausführungen am Markt. So findet man sowohl Geräte mit, als auch ohne Zugautomatik. Manche Varianten erlauben Füllungen der Pods mit selbstgewählten Liquids, bei anderen kommen Einweg-Pods zum Einsatz, die regelmäßig nachgekauft werden müssen. Es gibt exzellente Podsysteme, die aufgrund ihrer Handlichkeit auch von erfahrenen Dampferinnen und Dampfern langfristig benutzt werden. Das zurzeit wohl bekannteste Podsystem wurde von der Firma Juul Labs in USA entwickelt. In Abschnitt 10.11 werden wir den Einfluss dieses Fabrikats auf die Dampferszene näher beleuchten.
Langfristig sind Systeme empfehlenswert, die aus einem geregelten Akkuträger mit auswechselbarem Akku und einem Tankverdampfer bestehen. Die beiden Komponenten werden über ein 510er Feingewinde verbunden, das weltweiter Standard von E-Zigaretten ist und Kompatibilität zwischen handelsüblichen Akkuträgern und Verdampfern gewährleistet. Die breite Vielfalt an Verdampfern und Akkuträgern ist für Neueinsteiger verwirrend und gelegentlich wohl auch abschreckend. Zur Erleichterung des Umstiegs bieten die meisten Hersteller Einsteigersets mit aufeinander abgestimmtem Akkuträger und Verdampfer an. Zur Auswahl des geeigneten Sets sollte man sich in Fachgeschäften (Dampfshops) informieren und beraten lassen.
Cigalikes und Podsystemen geht relativ schnell der Saft aus, sodass man zum Austausch von Gerät oder Pod gezwungen ist. Tanksysteme zeichnen sich durch höhere Kapazität des Akkus aus, allerdings ist die Lebensdauer jeder Wicklung begrenzt. Nicht verdampfbare Liquid-Bestandteile lagern sich auf der Wicklung ab und verkrusten sie oder machen sie anderweitig unansehnlich, was den Geschmack zunehmend beeinträchtigt und früher oder später zum Austausch zwingt. Die Lebensdauer von Wicklungen wird maßgeblich vom verwendeten Liquid bestimmt. Bei manchen „Coilkillern“ kann bereits nach 5-10 ml Schluss sein (also nach einem halben bis ganzen Liquid-Fläschchen), während von anderen Liquids die 10- oder 20-fache Menge problemlos ohne Austausch der Wicklung konsumiert werden kann. In Abhängigkeit vom gewählten Liquid und dem täglichen Verbrauch variiert die Lebensdauer einer Wicklung demnach von einem Tag bis hin zu mehreren Wochen. Für den Wechsel der Wicklungen hat man die Wahl zwischen Verdampfern mit fertigen Köpfen, die man in die Kammer einschrauben kann und sogenannten Selbstwickelverdampfern, bei denen man sich die Wicklungen mit Draht und Watte selbst anfertigt (Abb. 6). Für den Einstieg wird man wohl Fertigverdampfer wählen, und auch viele erfahrene Dampfer benutzen diese langfristig, um sich die regelmäßige Anfertigung neuer Wicklungen zu ersparen. Allfällige Nachteile gegenüber Selbstwickelverdampfern sind neben geringeren individuellen Adaptierungsmöglichkeiten der Dampfeigenschaften die laufend anfallenden Kosten (2.- bis 5.- Euro pro Stück) sowie eventuell langfristige Einschränkungen der Kompatibilität mit neu entwickelten Verdampfern bzw. Verdampferköpfen.
Abbildung 6: Selbstwickelverdampfer mit Wicklung (Drahtspule und Watte)
Selbstwickelverdampfer bieten das größte Maß an Flexibilität bezüglich Geometrie, Widerstand und anderen Eigenschaften von Wicklungen, die an individuelle Bedürfnisse angepasst werden können. Auch der Nachfluss an Liquid und der Luftstrom lassen sich variabel einstellen. Langfristig gewährleisten diese Geräte Unabhängigkeit von Entwicklungen am Markt und allfälligen Einschränkungen durch den Gesetzgeber. An Verbrauchsmaterial benötigt man nur Draht und Watte, sodass die laufenden Kosten vernachlässigbar sind. Qualitativ hochwertige Verdampfer sind relativ kostspielig (typischerweise 100 bis 150 Euro), man erhält aber gute Geräte für unter 50 Euro. Im Internet findet man Informationen zu den Besonderheiten der diversen Verdampfertypen und detaillierte Anleitungen zur Herstellung von Wicklungen.
Bei der Auswahl geeigneter Verdampfer – egal ob fertig oder zum Selbstwickeln – ist die Art des Dampfens bzw. die Zugtechnik ein wesentlicher Punkt, den man berücksichtigen muss. Es gibt zwei grundsätzlich unterschiedliche Varianten, für die unterschiedliche Verdampfertypen gebaut werden: Mund-zu-Lunge (MTL für mouth-to-lung) und Direkt-auf-Lunge (DTL, direct-to-lung). MTL könnte man als konventionelles Dampfen bezeichnen, da die Zugtechnik jener des Rauchens entspricht. Man zieht und sammelt den Dampf in der Mundhöhle bevor man ihn inhaliert. Beim DTL-Dampfen wird der Dampf hingegen, wie die Bezeichnung nahelegt, direkt in die Lunge gezogen. Charakteristika von DTL-Verdampfern sind vergleichsweise niedrige Widerstände der Wicklungen (unter 0,5 Ohm), entsprechend hohe Leistung (zumeist über 50 Watt), sehr geringer Zugwiderstand und hohe Luftströmung (airflow). Unter diesen Bedingungen wird pro Zug wesentlich mehr Liquid verdampft als bei MTL, und es entstehen die riesigen Wolken der cloud chaser, die der Bevölkerung manchmal Angst und Schrecken einjagen (Abb. 7). Beim DTL-Dampfen verbraucht man täglich 20-30 ml Liquid mit Nikotinkonzentrationen im Bereich von etwa 2 mg/ml, während das beim MTL-Dampfen durchschnittlich 5 ml mit 10 mg/ml Nikotin sind. Die beiden Varianten sind unter Dampferinnen und Dampfern annähernd gleichverteilt, in den vergangenen Jahren wurde der Markt aber mit unzähligen neuen DTL-Verdampfern überschwemmt, nach guten MTL-Geräten muss man daher gezielt suchen.
Wie wir im nächsten Abschnitt sehen werden, ist die Belastung mit potentiellen Schadstoffen bei beiden Varianten des Dampfens viel geringer als beim Rauchen. Logischerweise nimmt aber mit zunehmendem Liquidverbrauch auch die Menge an inhalierten Schadstoffen zu. Wenn man auf besonders niedriges Gesundheitsrisiko Wert legt, ist es daher vernünftiger wenig Liquid mit der erforderlichen höheren Nikotinkonzentration zu dampfen anstatt umgekehrt. Besonders gering ist der Liquidverbrauch bei Verwendung kleiner, leistungsschwacher E-Zigaretten. Zur Befriedigung ehemaliger Raucherinnen und Raucher ist in diesen Geräten eine vergleichsweise hohe Nikotinkonzentration erforderlich, die in vielen Fällen das von der EU in der Tabakproduktrichtlinie TPD2 vorgeschriebene Limit von 20 mg/ml überschreitet. Zu niedrige Nikotinkonzentration ist eine der wesentlichen Ursachen für die Unzufriedenheit von Umsteigern und deren Rückkehr zum Rauchen. Somit wird durch die EU-Begrenzung der nachhaltige Umstieg auf das Dampfen gefährdet ohne einen sichtbaren Schutz der Gesundheit der Bevölkerung zu bieten. Das Limit von 20 mg/ml beruht nicht auf sachlichen Überlegungen, sondern einem politischen Kompromiss (um nicht zu sagen Kuhhandel) zwischen Kommission, Parlament und Rat. Es wäre wünschenswert, dass in der EU-Kommission die Vernunft siegt und dieses Limit im Zuge der bevorstehenden Revision der Tabakproduktrichtlinie aufgehoben wird.
Abbildung 7: Cloud chasing
Abschließend möchte ich Einsteiger vor den Gefahren des Hochleistungsdampfens, besonders mit mechanischen Geräten warnen. Gelegentlich werden in entsprechend dimensionierten Akkuträgern zwei Akkus in Serie verwendet („gestackt“) und so eine maximale Spannung von 8,4 Volt erreicht. Bei einem Widerstand von 0,5 Ohm fließen dann 16,8 Ampere durch die Wicklung, und die Leistung beträgt 150 Watt. Selbst bei Beschränkung auf einen Akku erreicht man ähnliche Leistung durch Erniedrigung des Widerstands. Widerstände in der Größenordnung von 0,1 Ohm oder niedriger sind keine Seltenheit. Elektriker ohne Bezug zum Dampfen würden das vermutlich bereits als Kurzschluss bezeichnen. Diese Art der Nutzung mag für all jene erfahrenen Dampferinnen und Dampfer attraktiv sein, die sich an riesigen Wolken erfreuen, das Dampfen als Hobby betreiben und sich dazu eingehend mit der Materie beschäftigt haben. Vor allem bedarf es guter Kenntnisse in Akkutechnik, da viele der handelsüblichen Akkus einer derartigen Belastung nicht standhalten. Mit dem Bestimmungszweck von E-Zigaretten als alternative Genussmittel für Raucherinnen und Raucher hat diese Art des Dampfens nichts mehr zu tun. Und Einsteiger sollten sich nicht im Dampfshop eine kostspielige 200-Watt-Hochleistungsbox aufschwatzen lassen.
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