Infrapunasauna teoriassa – hikeä pintaa syvemmältä?

Infrapunasauna on kansainvälisesti katsottuna jopa suomalaista saunaa suositumpi rakennelma. Mutta mistä infrapunahikoiluttimissa on pohjimmiltaan kysymys? Tässä artikkelissa käyn läpi infrapunasäteilyn teoriaa, infrapunasäteilijöiden toiminnan perusteita ja niiden vaikutuksia ihmiseen.


Punahehkuisen, kiukaattoman hikoiluhuoneen maihinnousu Suomeen on tapahtunut viime vuosikymmeninä hitaasti, mutta vääjäämättömästi. Muualla päin maailmaa infrapunasaunoiksi kutsuttuja laitoksia on kuitenkin myyty menestyksekkäästi jo pitkään. Infrapunasaunojen markkinoinnin ympärillä pyörii kuitenkin paljon huuhaata eikä niiden suhde tavalliseen saunaan ole lainkaan yksiselitteinen. Tämän takia olen jo vuosia hautonut asian perusteellista selvittämistä. Sen aika on nyt käsillä tämän kaksiosaisen artikkelin kautta.

191104-google-trends-sauna-varieties
Infrapunasauna on kansainvälisessä vertailussa ehdottamasti Google hakujen suosituin saunatyyppi (seuraa sinisen viivan irtiottoa vihreästä höyrysaunaviivasta).

Infrapunalämmityksen perusteet

Saunologiassa on aiemmin esitelty tavanomaisen saunan lämpöasioita (esim. Miten löyly vaikuttaa saunan lämpötilaan?). Suomalaisessa saunassa lämpöä saadaan monin eri tavoin, näistä lämpösäteily on tärkein lämpiämismuoto. Tämä lämpösäteily saadaan juurikin infrapunasäteilynä! Myös esimerkiksi varaavat tulisijat luovuttavat lämpönsä voittopuolisesti infrapunasäteilynä.

191109-FLIR-E6-Fireplace
Lämpökameralla otettu kuva lämmitetystä vuolukivitakasta ja sen takana olevasta tiilihormista. FLIR E6 lämpökameran herkkyysalue on 7.5–13 mikrometriä eli IR-C -alueen alkupäässä.

Infrapunasäteilyä on monenlaista. Infrapunasäteily sijoittuu aallonpituudeltaan näkyvän valon ja mikroaaltojen välimaastoon. Infrapunaksi laskettavan säteilyn aallonpituus vaihtelee 0,76 mikrometrista 1000 mikrometriin (µm, micron, 1000 nanometria; alle 4 x10^14 Hz). Tämän alueen sisällä puhutaan lähi-, keskipitkästä ja etäisestä infrapunasta (myös IR-A,-B ja -C alueet) viitaten näiden säteilyalueiden etäisyyksiin valosta eli näkyvistä aallonpituuksista.Alla olevasta kuvasta selviää miten infrapunasäteily vertautuu muihin elektromagneettisen säteilyn muotoihin.

sateilytaajuudet-Artboard 1@2x-80
Elektromagneettisen säteilyn tyypit aallonpituuden mukaan. Kuvalähde: Wikimedia. Alkuperäinen: NASA, suomentanut Lassi Liikkanen

IR-alueiden määritelmät vaihtelevat hieman eri standardoimisjärjestelmien välillä (ISO 20473 vs. CIE). Näistä lähi-infrapuna on lähellä näkyvää punaista, etäinen sen sijaan lähempänä mikroaaltoja. CIE:n määrittämien raja-arvojen mukainen luokitus yhdellä lisukkeella on esitetty alla olevassa taulukossa:

NimiLähi
IR-A
Keskipitkä
IR-B
”Semipitkä”
(epästandardi)
Etäinen
IR-C
Luokka0,76 - 2 µm
(760 nm)12500-4000 cm-1
2 – 3 µm

4000-400 cm-1

3 -12 µm3 – 1000 µm

400-5 cm-1

EsimerkkiAurinko ja tähdetLämmittimetIR-saunaKaukosäätimet

Eri aallonpituudet ovat yhteydessä säteilijän sisäiseen lämpötilaan: mitä kuumempi säteilylähde sitä lyhyempi aallonpituus. Lämpötilan kohotessa myös säteilyenergian teho kasvaa, itse asiassa eksponentiaalisesti (Stefan-Boltzman lain mukaan säteilyenergia = vakio * lämpötila ^4). Toinen hyödyllinen fysiikan laki on Wienin siirtymälaki, joka määrittelee säteilyenergian huipun mikrometreinä (lasketaan tuloksena kaavasta 2989/T, jossa T on absoluuttinen lämpötila Kelvineinä). Mitä korkeampi lämpötila, sitä lyhyempi aallonpituista säteilyä.

2006-ICNIRP-radiant-spectral-peak-excitance-modifed
Ideaalin mustan kappaleen säteilyenergian jakauma eri lämpötiloissa (K). Nuolet osoittavat säteilyenergian huippua. Muokattu lähteestä ICNIRP, 2006. Health Physics 91(6).

Lähi-IR säteilyä saadaan mm. auringosta ja tähdistä ja sitä hyödynnetään esimerkiksi sotilasteknologiassa sekä tutkimuslaitteissa (kts. Edmund Opticsin esimerkit). Pitkää infrapunasäteilyä taas käytetään esimerkiksi sähkölaitteiden kaukosäätimissä, eikä se sovellu lämmitykseen.

Itsekin käytän infrapunalaitteita säännöllisesti lämpömittarointiin. Esimerkiksi Fluken 561 infrapunalämpömittari rekisteröi säteilyä 8-14 mikrometrin taajuuksilta. Tämä on todettu hyväksi kiinteiden kappaleiden lämpötilan mittaamista varten. Tätä selittää yllä oleva kuva, jonka perusteella tätä kuumempia kohteita ei myöskään luonnossa juuri esiinny.

Joissakin erityistapauksissa käytetään alle 8 mikrometrin alueelle sovitettuja mittareita, mutta yli 20 mikrometrin mittaamiseen soveltuvia laitteita ei ole yleisesti käytössä.  Erillisellä infrapunaspektroskoopilla voidaan tutkia sitten säteilyenergian jakautumista eri osa-alueille. Tätä tekniikkaa käytetään erilaisten materiaalien analysointiin.

Infrapunasäteily ja ihminen

Tässä kuvailtu säteilylämmittimien fysiikka on vasta puolet infrapunan ymmärtämistä. Toinen puoli koostuu siitä, miten ihmisen keho reagoi erilaiseen säteilyyn. Tässä kohtaa siirrytään alueelle, josta Internetistä löytyy toinen toistaan uskomattomampia pseudotieteellisiä väitteitä esimerkiksi infrapunasaunan terveysvaikutuksista. Eräs fakta tähän liittyen on se, että myös ihmiskeho infrapunasäteilee, 3-50 mikrometrin alueella (voimakkaimmin 9.4 mikrometrin kohdalla). Monimutkaisen asiasta tekee kuitenkin se, että ihon eri kerrokset absorboivat infrapunasäteilyä eri tavoin, kuten kuvasta nähdään.

191103-philips-infraphil-radiation-penetration-absoprtion
Infrapunasäteilyn vaikutussyvyys aallonpituuden funktiona. Viiva osoittaa millä syvyydellä ihon pinnasta 95% säteilystä on absorptoitunut. Kuvalähde: Philips Infraphil -hehkulampun käyttöohje (PDF)  2010

Oheinen kuva on peräisin Philipsin valmistaman infrapunaterapialampun käyttöohjeesta. Kuva esittää säteilyenergian tunkeutumista eri syvyyksille ihossa aallonpituudesta riippuen. Esityksen perusteella 1 mikrometrin säteily (IR-A, lähi) vaikuttaa jopa 6 mm ihon pinnan alaisiin kudoksiin.

Keskipitkäsäteily tunkeutuu myös useita millimetrejä ihan alle, pitkä vaikuttaa vain aivan pintakerroksiin. Aihetta käsittelevässä tieteellisessä katsauksessa (https://doi.org/10.1097/01.HP.0000240533.50224.65, PDF) todetaan, että IR-säteily ei ylipäänsä ole merkittävä terveydellinen riski. Lähi- ja keskipitkän alueen säteilylle annetaan tietyt energiarajat, joissa säteily on turvallista. Etäisen IR-alueen säteilyä ei lasketa terveysuhaksi, mutta siitäkin puhutaan. Katsaus ei ota kantaa positiivisiin terveysvaikutusiin.

Mutta myöskään pelkkä käsitys infrapunasäteilyn absorptiosta ei riitä selittämään sen vaikutuksia. Nykyisen informaation välityksen kulttuuriin kuuluu, että erityisesti vaikuttajamarkkinoinnin parissa toimivat ihmiset ottavat käyttöön erittäin vikkelästi esimerkiksi lääketieteellisen kuuloisia kuvauksia vahventamaan omia kokemuksiaan.

Esimerkiksi ammattibloggari Hannamari Rahkonen kirjoitti Yellowmood-blogissa seuraavasti:
infrapunasäteily aktivoi luonnollista kasvuhormoniamme, joka on tärkeä osa rasvanpoltossa sekä lihaskasvussa. Infrapunasäteet lämmittävät ihon sekä alimmaiset kudokset ja koska ihon jälkeen päällimmäisenä kerroksena on rasvakudos, vaikuttaa säännöllinen infrapunasäteily myös rasvan palamiseen ja ihon tasoittumiseen.

Vastaavia ja hurjempia tarinoita löytyy englanniksi runsaasti. Tässä artikkelissa en ruodi tällaisten lääketieteellisten väitteiden mahdollista todenmukaisuutta .

Infrapunasäteilijät

Kaikki objektit maapallolla vastaanottavat ja lähettävät jatkuvasti infrapunasäteilyä. Koostumuksesta ja lämpötilasta riippuu millaista ja kuinka paljon.

Esimerkiksi perinteinen wolfram-lankainen hehkulamppu oli ns.  musta kappale eli ideaalinen säteilijä, jonka säteilyenergiasta valtaosa (>95%) oli infrapuna-alueella. Näkyvää valoa syntyi vain juuri sen verran, että lamppua pidettiin toimivana, kunnes ne sittemmin täällä EU:n alueella korvattiin vaihtoehtoisilla ja suhteessa enemmän näkyvää säteilyä tuottavilla valaisimilla. Niin sanottujen IR-lamppujen ja tavallisten hehkulamppujen ero on siis pieni.

wikimedia-2200K_Spectrum-Saunologia
Hehkulampun säteilyspektri selittää lampun heikon hyötysuhteen ja lämpimän, punavoittoisen värisävyn. Lähde: Wikimedia, https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/47/2200K_Spectrum.jpg

Infrapunalämmittämiseen tarkoitetut laitteet on suunniteltu tuottamaan tietyn tyyppistä infrapunasäteilyä. Kuten on jo käynyt selväksi, säteilyä saadaan lähes mistä tahansa. Nykyteknologialla säteilyä voidaan kohdistaa ihmiseen vaikka säteilevän taulun tai tekstiilin, esimerkiksi tyynyn tai peiton, avulla. Näkyvää valoa ei tarvita.

Infrapunasaunoiksi kutsutuissa tiloissa käytetään kuitenkin yleensä erityisiä tähän tarkoitukseen suunniteltuja säteilypaneeleja. Syitä on kaksi: uskomus käyttötarkoitukseen soveltuvasta säteilyalueesta ja soveltuvuudesta käyttökohteeseen. Näihin tutustutaan tarkemmin erillisessä artikkelissa.

Infrapunalämmitinten toimintaperiaatteet

Kuten aiemmin esitetystä voi päätellä, syntyy infrapunasäteilyä millä tahansa lämmittimellä. Erilaiset kuumat (>1000°C) ja näkyvästi hehkuvat lämmittimet tuottavat lähi-infrapunaa. Tällainen lämmitin toimii esimerkiksi polttamalla butaania tai maakaasua. Perinteisesti käytetyin oli volframi (Tungsten) hehkulamppu.

Näiden lämmitinten käyttöä ihmisten lämmittämiseen suoraan tai lähietäisyydeltä rajoittaa palovammariski. Niillä on kuitenkin ollut lääketieteellisiä käyttötarkoituksia, mutta infrapunasaunoissa teknologia ei ole suosittua.

Keskipitkäsäteily soveltuu myös lähinnä teolliseen käyttöön. Sitä saadaan esimerkiksi kvartsipohjaisista säteilijiöistä, jotka voivat edelleen tuottaa myös näkyvää valoa. Pitkäinfrapuna on kuitenkin ensisijainen ja käytetyin ratkaisu ihmisten lämmitykseen ja myös saunoihin.

Pitkää infrapunaa tuottavat lämmittimet perustuvat erilaisiin metallifilamentteihin tai hiilikuituun. Näiden toimintalämpötila on matala eivätkä ne tuota näkyvää valoa. Keraamiset säteilijät toimivat sekä keski- että etäisellä IR-alueella.

Erilaisia IR-lämmittimiä Iso-Britanniassa valmistavan Herschelin vertailukuva selittää erityyppisten säteilijöiden eroja. Aallonpituusalueiden säteilyn energiasuhteet vaihtelevat olennaisesti halogeenilampun, hiilikuitulampun ja keraamisen säteilijän välillä.

herschel-types-of-infrared-characteristics
Infrapunasäteilyn alueet ja erityyppisten säteilijöiden tuottaman säteilyn osuminen niille. Kuva: Herschel.co.uk (lämmitinvalmistaja erilaisille IR-laitteille)

Erilaisilla ratkaisuilla on erilainen lämpenemisaika. Esimerkiksi keraamisen lämmittimen lämpiäminen voi kestää jopa 10 minuuttia. Asia monimutkaistuu mikäli tarkastellaan infrapunasaunaksi tarkoitettua tilaa, jonka ilmaa ja pintoja lämmitetään infrapunalämmittimillä. Jotta tilassa tarkenee esimerkiksi alasti oleskella, on tila lämmitettävä jonnekin 30-60 asteen välille. Tämä voi ottaa aikansa.

Kotimainen Rauduspuu valmistaa keraamiseksi luokiteltava lasisäteilijöitä. Tuula Andresson, eräs yrityksen perustajista, kertoo että heidän tuotteillaan ”sauna” lämpiää noin vartissa, jos säteilijöiden teho on mitoitettu oikein. He suosittelevat lämmittäjien tehomitoitusta sähkökiukaan tehosuositusten tavoin tilan koon mukaan (n. 1 kW / m3; lasi-, betoni- ja kaakelipinnat lisäävät tehontarvetta 1,2 kW/m2). Myöhemmin jaettavien kokemusteni perusteella tämä vaikuttaakin suoraan siihen, miten lämpimäksi IR-sauna saadaan.

Yhteistä kaikille lämmittimille on se, että ne lämpiävät myös pinnaltaan. Tämän takia käyttäjänja  lämmittimen välinen suora kosketus on vältettävä, ettei synny palovammoja. Tästä syystä lämmitinelementtien eteen yleensä asennetaan puiset ritilät, jotka lämpenevät vähemmän ja johtavat lämpöä huonommin jolloin niihin voi nojailla, ainakin jos pitää pyyhettä kehon ja puuritilän välissä. Lämmittimiä ei saa peittää.

191105-alibaba-infrared-heating-elements-search
Infrapunalämmitinelementit Alibaban verkkokaupassa ovat edullisia ja monenmuotoisia. Soveltuvuudesta ja ominaisuuksista vähän tarkkaa tietoa.

 


Saunologian infrapunatarina jatkuu seuraavassa osassa, jossa esitellään käytännöllisemmin infrapunasaunojen ratkaisuvaihtoehtoja, millaisia infrapunasaunat ovat ja hankkimiani kokemuksia infrapunakopeista. Kolmannessa artikkelissa pohditaan infrapunasaunan ja perinteisen saunan suhdetta toisiinsa.


Tätä artikkelia varten on haastateltu Rauduspuun Tuula Anderssonia, Saunattaren Seppo Metsälää ja Kotispan Aila Kentalaa sekä TkT Rauno Pääkköstä. Kiitokset haastatelluille!

4 kommenttia artikkeliin ”Infrapunasauna teoriassa – hikeä pintaa syvemmältä?

  1. Pekka Malkasilta

    Moro
    Kysyn voiko tavallisesta jalkamallisesta terassilämmittimestä 1800w, 2000w tai 2500w ja tavallisesta saunasta tehdä tilapäisen infrasaunan. Minkälaista on säteilyä(aaltopituus) terassilämmittimen säteily.

    Vastaa
    1. Hei,
      Säteilyalue on täysin tapauskohtaista ja on tarkistettava erikseen. Valitettavasti kaikista laitteista tietoa ei löydy.

      Kannattaa huomata, että "sauna"lämmittimet ovat yleensä alle 1000w eli tuollainen terassilämmitin voi olla liian tehokas eli vaarallinen.

      Vastaa
  2. Risto Juvaste

    Eikös savusauna ole infrapunasauna, infralämpö tulee kaikista suunnista (seinistä ym.)?

    Vastaa
    1. lassial

      Tämä on hyvä veikkaus, otan tähän kantaa perusteellisemmin tarinan seuraavassa osassa ensi viikolla!
      Lassi

      Vastaa

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.

Kuka Lassi A Liikkanen?

Saunologi ja saunan suunnittelun tutkimusmatkalainen. Johtava nykyaikainen suomalaisen saunan asiantuntija ja Suomen Saunaseuran Löylyn henki -palkittu 2021. Työkseni suunnittelen parempia digitaalisia palveluita. Minulla on pitkä historia tieteellisestä tutkimuksesta ja opetan satunnaisesti Aalto-yliopistossa.