Was beim Verdampfen wirklich passiert: Ein Blick in die Physik und Chemie der E-Zigarette

Der Aufbau: Vom Akku zur Heizspirale

Herzstück jeder E-Zigarette ist die sogenannte Coil, also eine Drahtspirale mit einem definierten elektrischen Widerstand, meist zwischen 0,15 und 1,8 Ohm. Fließt Strom durch diesen Draht, wandelt sich elektrische Energie nach dem Jouleschen Gesetz in Wärme um. Die Leistung in Watt ergibt sich aus der Spannung im Quadrat geteilt durch den Widerstand. Ein Sub Ohm Verdampfer bei 0,3 Ohm und 3,7 Volt erreicht so rund 45 Watt, was ausreicht, um die Coil in Sekundenbruchteilen auf 200 bis 250 Grad Celsius zu bringen.

Die Spirale ist von einem saugfähigen Docht umgeben, meist aus Baumwolle. Er transportiert das Liquid durch Kapillarkräfte an die heiße Zone. Dort verdampft die Flüssigkeit schlagartig, ohne dass es zu einer Verbrennung im chemischen Sinne kommt. Genau das ist der zentrale Unterschied zur Glimmzigarette, deren Tabak bei über 600 Grad pyrolysiert und dabei Teer und Kohlenmonoxid freisetzt. Wer sich für die Produktvielfalt interessiert, findet neben klassischen Varianten mittlerweile auch E-Zigaretten ohne Nikotin, die ausschließlich auf Trägerstoffe und Aromen setzen.

Die Chemie des Liquids: Zwei Basisstoffe im Verhältnis

Ein handelsübliches Liquid besteht zu über 90 Prozent aus zwei Verbindungen. Propylenglykol, chemisch 1,2 Propandiol und in der EU als Lebensmittelzusatz E1520 zugelassen, hat einen Siedepunkt von rund 188 Grad Celsius. Pflanzliches Glycerin, also 1,2,3 Propantriol, siedet erst bei etwa 290 Grad, verdampft aber schon bei niedrigeren Temperaturen aus einem dünnen Film heraus. Beide Stoffe sind hygroskopisch, das heißt sie binden Wasser aus der Umgebungsluft.

Das Mischungsverhältnis, üblicherweise als PG/VG Ratio angegeben, bestimmt das Verhalten des Aerosols. Ein 50/50 Liquid erzeugt eine feinere Wolke und liefert einen stärkeren sogenannten Throat Hit, während 30/70 oder 20/80 Mischungen mit höherem Glycerinanteil dichteren, sichtbaren Dampf produzieren. Eine im Fachjournal Scientific Reports veröffentlichte Studie zu PG/VG Aerosolen untersuchte die biologischen Effekte der Trägerstoffe unabhängig von Nikotin und Aromen und zeigt, dass auch die Basisflüssigkeit selbst kein neutraler Stoff im biologischen Sinn ist. Messungen in der Dampfphase ergeben laut einer Untersuchung von Nutech Instruments Konzentrationen von rund 53 bis 175 mg/m³ für Propylenglykol und 0,16 bis 0,48 mg/m³ für Glycerin.

Aerosol statt Rauch: Was die Physik dazu sagt

Was aus dem Mundstück strömt, ist kein Rauch, sondern ein Aerosol. Physikalisch handelt es sich um eine Dispersion feinster Flüssigkeitströpfchen in einem Gasgemisch. Die Tröpfchen entstehen durch Kondensation, wenn der heiße Dampf beim Verlassen der Coil auf kühlere Luft trifft. Ihre Größe liegt typischerweise im Bereich von 0,1 bis 3 Mikrometern, was sie lungengängig macht. Genau diese Partikelgröße bestimmt, in welchem Abschnitt des Atemtrakts sich die Bestandteile ablagern, von der Oropharynx über die Trachea bis zu den Bronchiolen.

Die Zusammensetzung des Aerosols hängt stark von der Temperatur ab. Steigt sie über 250 Grad, entstehen aus Glycerin thermische Zerfallsprodukte wie Acrolein und Formaldehyd. Die genannte Untersuchung zeigt, dass die Konzentration von Acetaldehyd um das 175 Fache und die von Acrolein um das 28 Fache zunahm, wenn der Glycerinanteil von 0 auf 80 Prozent erhöht wurde. Der Effekt wird durch trockene Dochte, auch Dry Hits genannt, drastisch verstärkt, weil dann die lokale Temperatur an der Coil unkontrolliert nach oben schießt.

Regulierung als Rahmen für die Technik

Die technischen Parameter sind nicht beliebig wählbar. Die EU Tabakproduktrichtlinie 2014/40/EU, in Deutschland umgesetzt durch das Tabakerzeugnisgesetz und die Tabakerzeugnisverordnung, setzt klare Grenzen. Nikotinhaltige Liquids dürfen laut Ratgeber zur TPD2 höchstens 20 mg Nikotin pro Milliliter enthalten, Nachfüllflaschen sind auf 10 ml begrenzt, Tanks auf 2 ml. Neue Produkte müssen sechs Monate vor Marktzugang bei der zuständigen Behörde notifiziert werden, in Deutschland beim Bundesinstitut für Risikobewertung.

Die Regulierung erfasst auch nikotinfreie Varianten. Kennzeichnungspflichten, Anforderungen an kindersichere Verschlüsse und Vorgaben zur Reinheit der Inhaltsstoffe gelten unabhängig davon, ob Nikotin enthalten ist. Für Verbraucher, die Aufbau und Funktionsweise verstehen wollen, lohnt sich ein Blick in die Datenblätter der Hersteller. Dort finden sich Angaben zu Widerstand, empfohlener Wattzahl und Materialzusammensetzung der Coil, aus denen sich das thermische Verhalten des Geräts abschätzen lässt. Wer weiß, was zwischen Akku und Aerosol passiert, kann informierter entscheiden, welches Gerät und welches Liquid tatsächlich zu den eigenen Anforderungen passt.