Werfen und tauchen

Angesichts der dank drahtloser Netze wachsenden Mobilität in der IT steigen die Ansprüche an robuste Notebooks. Die infrage kommenden Techniken und Ausstattungsmerkmale weisen jedoch erhebliche Unterschiede auf.

In Katastrophengebieten, auf hoher See, im ewigen Eis, unter Tage oder in anderen extremen Umgebungen sind portable Computer im Einsatz, die zuverlässig funktionieren und widerstandsfähig gegen mechanische Belastungen oder Umwelteinflüsse sein müssen. Für militärische Einsatzgebiete zum Beispiel gibt es zudem besondere Laptops, unter der Bezeichnung TEMPEST (Temporary Emanation and Spurious Transmission) geführt. Es steht als Synonym für alle Aktivitäten und Maßnahmen, die Hersteller ergreifen müssen, um kompromittierende elektromagnetische Felder eines Laptops zu unterdrücken und damit eine Abhörsicherheit zu gewährleisten.

Auf dem Markt gibt es Notebooks, die nach der MIL-STD461E (TEMPEST) getestet sind. Sämtliche Kabel im Gerät sind geschirmt und die Tastaturen so konstruiert, dass man aus der Abstrahlcharakteristik beim Betätigen einer Taste nicht mehr auf den zugehörigen Buchstaben schließen kann. Die verwendeten Magnesium-Legierungen für die Gehäuse sparen Gewicht und schirmen zusätzlich elektromagnetische Wellen ab. Darüber hinaus sind noch mögliche Strahlungslecks mit HF-Litze abgedichtet.

Nach Angaben der Firma GETAC sind 75 Prozent aller bekannten Schäden bei Laptops darauf zurückzuführen, dass jemand das Gerät fallen gelassen hat, etwas daraufgefallen oder eine Flüssigkeit darübergelaufen ist. Das führte zu Überlegungen, welche generellen Anforderungen an ein "ruggedized"-Gerät zu stellen sind, und letztlich dazu, sie in einer Norm festzulegen.

Normen und Klassen für ruggedized

Grundsätzlich findet man vier Normen beziehungsweise Geräteklassen:

• Die IP-Schutzklassen (IEC 60529, DIN 40050), definieren Gehäusearten und sind in Europa gebräuchlich. IP steht für "Ingress Protection" was übersetzt ungefähr Schutz gegen Eindringen bedeutet.
• In den USA gibt es als Pendant das sogenannte NEMA-"Rating". Es bezieht sich auf den NEMA-250-2003-Standard, der Geräte nach ihrer Eignung für Anwendungsbereiche klassifiziert.
• Die ATEX-Klassifizierung, die für jedes Gerät in allen EG-Mitgliedstaaten verpflichtend ist. Sie beschreibt die Verwendbarkeit von Geräten an Orten, an denen eine mehr oder weniger große Explosionsgefahr durch Gase und Stäube besteht.
• MIL-STD-810F stammt wie zu erwarten vom amerikanischen Verteidigungsministerium und war ursprünglich nur für militärisches Gerät gedacht. Sie hat den größten Umfang und den höchsten Grad an Qualität, erprobt in Umweltsimulationen (Environmental Stress Screening; ESS) und letztlich im Feld.

IP-Schutzklassen

IP bezieht sich auf die Gehäuse, es geht dabei um feste und flüssige Stoffe. Die IP-Schutzklassen hat das Deutsche Institut für Normung in der DIN 40050 oder die International Electrotechnical Commission in der IEC 60529 beschrieben, wobei die IP-Klassen mit zwei-bis dreistelligen Ziffern gekennzeichnet sind.

Dreistellig: Zahlen und Buchstaben verraten an der jeweiligen Position etwas über die Bedeutung des Codes.

Eine Differenzierung der IP-Klassen erkennt man an zwei- bis dreistelligen Ziffern: Die erste steht für den Grad der Schutzmaßnahmen eines technischen Gerätes gegen das Eindringen fester Fremdkörper wie Staub oder Schmutz, die zweite Ziffer bezieht sich auf den Schutz, den es gegen Feuchtigkeit oder Flüssigkeiten besitzt. Ein x erscheint, wenn die entsprechende Kategorie keine Rolle spielt; IPx5 würde bedeuten, dass es nur um den Schutz vor Nässe geht. Manchmal erscheint eine dritte Ziffer, die den Grad der Widerstandsfähigkeit bei mechanischer Beanspruchung beschreibt, etwa durch Schläge oder Stöße. Mit der IP-Normierung wollen die Gremien grundsätzlich zwei unterschiedliche Ziele erreichen: Sie sollen sicherstellen, dass weder Personen noch Betriebsmittel Schaden nehmen.

Als Erweiterung der DIN behandelt die IEC 60529 speziell Belastungen durch Hochdruck und hohe Wassertemperaturen, wie sie beim Einsatz von Baufahrzeugen vorkommen, erkennbar am Buchstaben "K" am Ende der IP-Nummer.

IP-Schutzklassen Schutzlevel erste Ziffer zweite Ziffer dritte Ziffer 0 kein Schutz kein Schutz kein Schutz 1 Schutz gegen großflächige feste Fremdkörper mit einem Durchmesser von 50 mm und größer Schutz gegen senkrecht fallende Wassertropfen Schutz gegen Stöße von 0,225 Joule (ein Gewicht mit 150 g aus 15 cm Fallhöhe) 2 Schutz gegen feste Fremdkörper mit einem Durchmesser von 12,5 mm und größer (z.B. Finger oder andere kornförmige Fremdkörper) Schutz gegen fallende Wassertropfen, wenn Gehäuse bis 15 Grad geneigt ist Schutz gegen Stöße von 0,375 Joule (ein Gewicht mit 250 g aus 15 cm Fallhöhe) 3 Schutz gegen feste Fremdkörper mit einem Durchmesser von 2,5 mm und größer (z.B. Drähte, Werkzeuge oder andere kornförmige Fremdkörper) Schutz gegen Sprühwasser aus einer Richtung Schutz gegen Stöße von 0,5 Joule (ein Gewicht mit 250 g aus 20 cm Fallhöhe) 4 Schutz gegen feste Fremdkörper mit einem Durchmesser von 1 mm und größer (z.B. Drähte, Werkzeuge oder andere kornförmige Fremdkörper) Schutz gegen Wasserstrahlen aus allen Richtungen Schutz gegen Stöße von 2,0 Joule (ein Gewicht mit 500 g aus 40 cm Fallhöhe) 4k - Schutz gegen Wasserstrahlen aus allen Richtungen mit erhöhtem Druck (gilt laut DIN 40050 nur für Straßenfahrzeuge) - 5 staubgeschützt (Schutz gegen Staubanlagerungen) Schutz gegen Wasserstrahlen als schwacher Strahl aus jeder Richtung Schutz gegen Stöße von 6,0 Joule (ein Gewicht mit 1500 g aus 40 cm Fallhöhe) 6 vollständig staubgeschützt (kein Staubeintritt) Schutz gegen Wasserstrahlen als starker Strahl aus jeder Richtung Schutz gegen Stöße von 20,0 Joule (ein Gewicht mit 5000 g aus 40 cm Fallhöhe) 6k - Schutz gegen Wasserstrahlen aus allen Richtungen mit erhöhtem Druck (gilt laut DIN 40050 nur für Straßenfahrzeuge) - 7 - Schutz gegen zeitweiliges Untertauchen (15 cm – 100 cm) - 8 - Schutz gegen länger andauerndes Untertauchen in einer Tiefe unter einem Meter - 9k - Schutz gegen Hochdruck-/Dampfstrahl-Reinigung aus allen Richtungen mit stark erhöhtem Druck (gilt laut DIN 40050 nur für Straßenfahrzeuge) -

NEMA-Schutzklassen

In den USA gibt es äquivalent zu den IP-Schutzklassen den Standard NEMA-250-2003, festgelegt von der National Electrical Manufacturers Association. Er unterscheidet zwischen Geräten für den Einsatz in geschlossenen Räumen und im freien Gelände.

Darüber hinaus schlägt die NEMA einen Anwendungsbereich für die jeweilige Unterkategorie vor. Außerdem behandelt sie noch vier Stufen für gefährliche Bereiche und bezieht sich bei der Einordnung auf drei Typen des National Electrical Code NEC I bis III. Beim Typ I geht es um entzündbare Gase, wobei die wiederum den Klassen A bis D zugeordnet sind (Acetylen, Wasserstoff, Ethylen Propan). NEC II gilt für entzündbaren Ruß-, Kohle- oder Metallstaub in den Klassen E bis G, und Typ III ist für gefährliche Bereiche zuständig, in denen hochentzündliche Fasern oder Textilflugstaub vorkommen können.

Neben den NEC-Typen I bis III gibt es besonders gefährliche Bereiche etwa in Bergwerken, in denen die Geräte den Anforderungen der Mine Safety and Health Administration (MSHA) genügen müssen. Die MSHA ist das amerikanische Amt für Bergbau, das dem amerikanischen Innenministerium zugeordnet ist.

NEMA 250-2003 im geschlossenen Räumen Schützt in gewissem Maße vor NEMA-Typ 1 2 4 4X 5 6 6P 12 12K 13 gefährlichen Teilen eines Gerätes v v v v v v v v v v Eindringen von festen Fremdkörpern (herabfallender Schutz) v v v v v v v v v X Eindringen von Tropf- oder leichtem Spritzwasser - v v v v v v v v v Eindringen von festen Fremdkörpern (windgetriebener Staub, Flusen, Fasern und Textilstaub) - - v v - v v v v v Eindringen von Strahl- und Spritzwasser - - v v - v v - - - Öl und Kühlmittel - - - - - - - v v v versprühtes oder verspritzes Öl und Kühlmittel - - - v - - v - - - gelegentliches zeitlich begrenztes Eintauchen in Wasser - - - - - v v - - - gelegentliches längeres Eintauchen in Wasser - - - - - - v - - -

NEMA 250-2003 im Freien Schützt in gewissem Maße vor NEMA-Typ 3 3X 3R 3RX 3S 3SX 4 4X 6 6P gefährlichen Teilen eines Gerätes v v v v v v v v v v Eindringen von Wasser (Regen, Schnee oder Schneeregen) v v v v v v v v v v außen liegende Mechanismen des Gerätes bleiben trotz Schneeregen funktionstüchtig - - - - v v - - - - Eindringen von festen Fremdkörpern (windgetriebener Staub, Flusen, Fasern und Textilstaub) v v - - v v v v v v Eindringen von Strahl- und Spritzwasser - - - - - - v v v v Öl und korrosiv wirkende Substanzen - v - v - v - v - v gelegentliches zeitlich begrenztes Eintauchen in Wasser - - - - - - - - v v gelegentliches längeres Eintauchen in Wasser - - - - - - - - - v

NEMA 250-2003 Gefährliche Bereiche Schutz vor Klasse A B C D E F G Typ 10 Acetylen I v - - - - - - - Wasserstoff I - v - - - - - - Ethylen I - - v - - - - - Propan, Butan I - - - v - - - - Metallstaub II - - - - v - - - Kohlenstaub II - - - - - v - - Kornstaub II - - - - - - v - Fasern, Fusseln III - - - - - - v - Methan mit oder ohne Kohlenstaub MSHA - - - - - - - v

ATEX-Normen

Indizien: der ATEX-Kennzeichnung auf der Spur.

Kommt es bei den Franzosen zu einer "Atmosphère explosible", gilt die ATEX-Norm – seit 2003 für alle Mitgliedstaaten der europäischen Gemeinschaft. Sie bezieht sich auf die Verwendung technischer Geräte in explosionsgefährdeten Bereichen, etwa Tankstellen, Lackierbereiche, Holzwerkstätten, Gas- oder Mineralöltanks, Gefahrgut-Transportfahrzeuge, Bergbau, Feuerwehren, Chemische Industrie, Umfüllanlagen oder beim Militär. Die Norm verlangt, dass Anwender und Arbeitgeber Schutzmaßnahmen ergreifen, wenn drei Bestandteile vorhanden sind: Luft, brennbare Gase oder Stäube und eine Zündquelle. Entweder man beseitigt oder verhindert das Entstehen einer explosiven Atmosphäre oder man vermeidet deren Zündung.

Als Zündquelle kommt jedes technische Gerät infrage, unter anderem eben Laptops oder andere IT-Systeme, denn sie können anfangen zu brennen, heiß laufen oder Funken erzeugen, etwa durch elektrostatische Aufladung. Deshalb müssen alle Geräte in einer derart gefährdeten Umgebung eine ATEX-Kennzeichung haben. Sie stellt zwingend bestimmte Anforderungen an ein technisches Gerät und klassifiziert damit die Anwendungsbereiche sowie die Umgebungen, in denen es eingesetzt werden darf. Die Gerätegruppe I bezieht sich auf den Einsatz in Bergwerken, die II auf alle anderen. Dabei gelten drei Kategorien: 1 ist die höchste Gefahrenstufe, eine Umgebung, in der die Geräte einer ständig explosionsfähigen Atmosphäre ausgesetzt sind. Die Geräte müssen selbst bei selten auftretenden Störungen die Sicherheit gewährleisten sowie zwei unabhängige konstruktive Schutzmaßnahmen beinhalten.

Ortslage: Einteilung der Zonen unter ATEX

In der Kategorie 2 sind solche Einsatzorte zusammengefasst, in denen gelegentlich eine explosionsfähige Atmosphäre herrscht. Selbst bei häufig auftretenden Gerätestörungen muss die Sicherheit gewährleistet sein. Unter Punkt 3 fallen alle die Geräte, die selten oder nur für kurze Zeit einer explosiven Atmosphäre ausgesetzt sind. Dabei gewährleisten die Geräte bei normaler Nutzung das erforderliche Maß an Sicherheit. Jeder der drei Kategorien sind zwei Zonen zugeordnet, die sich auf Staub (D) oder Gas (G) beziehen und die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer explosiven Atmosphäre angeben. Weiterhin steht in der ATEX-Klassifizierung, welche Zündschutzarten zu verwenden sind und bis zu welchem Wert die Oberflächentemperatur des Gerätes ansteigen darf.

Die Zonen 0 bis 2 beziehen sich auf Orte, an denen Gase und Dämpfe entstehen, die explodieren können. Die Zone 0 hat die höchste Explosionswahrscheinlichkeit (mehr als an 1000 Stunden im Jahr), Zone 2 hat die niedrigste (bis zu 10 h/Jahr). Das Innere eines Treibstofftanks ist ein gutes Beispiel für Zone 0. Fällt dort eine Reparatur an, müssen die Werkzeuge die ATEX-Klassifizierung haben. Zone 1 entspricht Orten, an denen eine explosionsfähige Atmosphäre regelmäßig auftreten kann – zwischen 10 und 1000 Stunden pro Jahr, etwa in Umfüllanlagen. Von einer Zone 2 kann die Rede sein, wenn nur kurzzeitig eine explosive Atmosphäre entstehen kann, etwa nach einem Verkehrsunfall.

Für Orte, an denen es zu Staubentwicklungen kommen kann, gilt Entsprechendes, zum Beispiel beim Transport oder Lagern von Kohle, bei der Verarbeitung von Getreide und im Bergbau. In der Industrie entsteht beim Umgang mit Schüttgut häufig brennbarer Staub. Dafür geben die Zonen 20 bis 22 die Wahrscheinlichkeit einer Explosion an, 20 die höchste und 22 die niedrigste. Ein typischer Fall wäre das Innere von Silos, in dem ein Techniker Sensoren austauschen muss. Sein Werkzeug muss das ATEX-Label für Zone 20 haben. Falls er einen Laptop zum Durchmessen braucht, gilt das Gleiche wie oben: Das Gerät darf nicht heiß laufen und es dürfen keine Funken entstehen. Offen liegende Metallflächen und simple mechanische Schalter verbieten sich.

Military Standards

Kritisch beäugt mancher den bekanntesten Katalog mit Umweltanforderung und zugrunde liegenden Testverfahren: den U.S.-Military Standard 810. In ihm sind Maßstäbe beschrieben für die Bereiche Temperatur, Feuchtigkeit, Staub, Vibrationen und andere Belastungen, die Geräte in harten Umweltsituationen einhalten müssen. Die letzte Änderung am MIL-STD-810 erschien im August 2002 mit der Version F. Je nach Version des MIL-STD-810 C bis F verändern sich die einzelnen Grenzbereiche und Testbedingungen.

Es geht um Reliability, die Zuverlässigkeit R(t) eines DV-Systems zum Zeitpunkt t. Gemeint ist die Wahrscheinlichkeit, mit der ein System bei definierter Beanspruchung bis zu diesem Zeitpunkt ohne Unterbrechung funktionstüchtig ist. Der Begriff "definierte Belastung" impliziert, dass die Belastung, die in einer harten Umweltumgebung auftreten kann, vorher in Grenzwerten ermittelt und festgelegt wird. Da jeder praktisch veranlagte Mensch weiß, dass eine vorgefundene Situation von der früher erlebten abweicht, ist es wichtig, erst einmal die typischen Umwelt- oder Betriebsbedingungen festzulegen, in der sich ein elektronisches Gerät bewähren soll. Danach gilt es, Grenzwerte festzulegen und geeignete Tests (Methods) zu einer Überprüfung des technischen Geräts oder DV-Verfahrens durchzuführen.

Tests nach MIL-STD-810F Methoden Testbereich 500.4-1 bis 500.4-8 geringer Druck (low pressure) bis zum Vakuum (entspricht hohen Einsatzhöhen) 501.4-1 bis 501.4-12 hohe Temperatur (high temperature) 502.4-1 bis 502.4-10 niedrige Temperatur (low temperature) 503.4-1 bis 503.4-10 Temperaturschock (temperature shock) 504-1 bis 404A-2 Temperatur und Höhe 505.4-1 bis 505.4A-8 Sonneneinstrahlung (solar radiation) 506.4-1 bis 506.4-12 Regen (rain) 507.4-1 bis 507.4A-2 Feuchtigkeit (humidity) 508.5-1 bis 508.5-12 Schimmel- und Fäulnisbeständigkeit (fungus) 509.4-1 bis 509.4-10 Salznebel (salt fog) 510.4-1 bis 510.4-14 Sand und Staub (sand and dust) 511.4-1 bis 511.4-6 explosive Atmosphäre (explosive atmosphere) 512.4-1 bis 512.4-8 Eindringen von Wasser (leakage) 513.5-1 bis 513.5-14 Beschleunigung (acceleration) 514.4-1 bis 514.4-3 Vibration 515.5-1 bis 515.5B-2 Schall (acoustic noise) 516.5-i bis 516.5C-4 mechanischer Schock (mechanical shock) 517-1 bis 517-24 Explosion 518-1 bis 518-6 ätzende Atmosphäre 519.5-i bis 519.5D-10 Schussvibrationen (gunfire) 520.2-1 bis 520.2A-10 Temperatur, Feuchtigkeit, Vibrationen und Druckveränderung durch Höhe 521.2-1 bis 521.2-8 Eis und gefrierender Regen 522-1 bis 522-14 ballistischer Schock 523.2-1 bis 523.2A-8 Vibration, Lärm, hohe und niedrige Temperaturen bei unterschiedlicher Luftfeuchte

Grundsätzlich ist somit jede Firma in der Lage, Tests auf Grundlage definierter Prüfmethoden mit verschiedenen Prüfschärfen durchzuführen, wobei die Kosten für solche Einrichtungen immens sind. Zertifizierungsfirmen mit technischen Simulatoren stehen bereit, die komplexe Aufgabe als Dienstleistung zu übernehmen. In den USA gehören dazu die NTS Labs; Wyle Labs oder die Firma ETL. Sie führen Tests unter natürlichen und extremen Umweltbedingungen durch, wie sie beispielsweise in den arktischen, tropischen oder Wüstengebieten vorzufinden sind. Auch Bedingungen unter hohem oder niedrigem Druck, wie unter Wasser oder in Flugzeugen, die in den oberen Luftschichten operieren, gehören dazu. Aber nicht nur Geräte, sondern auch ganze Schutzräume (Shelter), in denen DV-Systeme EMV-sicher untergebracht sein können, sind Gegenstand solcher Untersuchungen.

Kritisches: Fehlfunktionen bei Flugzeugen, sortiert nach auslösenden Umwelteinflüssen.

Sieht man sich die Tortengrafik an, erkennt man, welche Umweltbedingungen hauptsächlich zu Fehlfunktionen bei komplexen technischen Systemen führen können. (Im Englischen taucht der Begriff "Fatigue Life" auf, der die Zeitdauer der Funktionsfähigkeit eines Gerätes unter definierter Beanspruchung festlegt.) Temperatur, Feuchtigkeit und Vibrationen sind die Hauptverursacher von Fehlfunktionen bei technischem Gerät. Innerhalb der einzelnen Testmethoden sind Verfahren beschrieben, je nachdem, ob die Geräte in Funktion oder ausgeschaltet sind. Es geht darum, welchen Umwelteinflüssen ein System ausgesetzt ist und wie lange. Deshalb sind zu manchen Messabläufen innerhalb des MIL-STD-810 die Zeitintervalle definiert, in denen die Umwelteinflüsse wirksam sein müssen.

Fazit

Veränderungen in den Umweltbedingungen und die rasante Entwicklung der Technik vor allem im mobilen Bereich bringen Verfahren und Anforderungen ins Gespräch, die bislang Spezialbereichen vorbehalten waren. Ruggedized Notebooks oder anderes portables IT-Equipment war lange Jahre ein Thema, das hinter geschlossenen Türen von militärischen Einrichtungen zur Debatte stand. Dort entstanden Methoden, die heute zum Teil im Konsumerbereich gefragt sind. Deshalb kommt dem MIL-STD-810 eine besondere Bedeutung zu. IP, NEMA und ATEX liefern weitere wichtige Rahmenbedingungen, die in der Produktion solcher Geräte ihren Niederschlag finden. Wer viel unterwegs ist, für den dürfte die Frage nach einem Mindestgrad an Robustheit eine wichtige Rolle spielen. Allzuoft gehen die Sparmaßnahmen bedingt durch den Kostendruck bei den Herstellern zu Lasten der Widerstandsfähigkeit. Wie robust elektronische Geräte sein können, kann man bei Handys oder MP3-Player erleben – Notebooks sind davon noch ein gutes Stück entfernt. (rh)

Literatur

[1] Jürgen Rink, Rundum geschützt, Notebooks für den rauen Alltagseinsatz, www.heise.de/mobil/artikel/98102