Abgastest

TU Graz will ultrafeine Schadstoffpartikel erfassen

Bisher können im Rahmen einer Abgasmessung nur Partikel mit einer bestimmten Größe erfasst werden. Ein neues Messverfahren aus Graz soll das künftig ändern.

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Das Messsystem hat in einem Auto gut Platz. Es soll der Autoindustrie dabei helfen, bessere Motoren zu entwickeln, die weniger Nanopartikel emittieren, als aktuelle Verbrennungsmotoren.

Für das Auge sind sie nicht sichtbar, doch sie haben eine gravierende Auswirkung auf die Luftqualität und die Gesundheit der Menschen. Die Rede ist von Schadstoffpartikeln, die beim Verbrennen von Kraftstoff im Motor entstehen. Während die Uhr weiter tickt und sich die Verfehlung der Klimaziele immer deutlicher abzeichnet, gibt eine Forschergruppe der TU Graz nicht auf, ihren Beitrag zum Klimaschutz zu leisten.

Kleinere Nanopartikel mit höherer Gefahr

Die Autoindustrie setzt nicht nur auf Motor-Downsizing, auch die Schadstoffpartikel werden immer kleiner und liegen im Nanobereich. Der aktuelle Sollwert liegt bei 6x1011 Partikel pro Kilometer (Euro-6d-Temp), wobei nur Partikelanzahlemissionen über 23 Nanometer reguliert werden. Mit Blick in die Zukunft sollen die Abgasregelungen immer strenger werden.

Das Problem ist: Kleinere Nanopartikel, wie sie neue und zukünftige Generationen von Verbrennungsmotoren in einer noch viel höheren Anzahl emittieren, können bei Abgastests derzeit nicht erfasst werden. Ironischer Weise wird dieser Feinstaub aber noch viel gesundheitsschädlicher sein, da Partikel dieser Größe ungehindert in die Lunge eindringen können.

Markus Bainschab, Forscher am Institut für Elektrische Messtechnik und Sensorik der TU Graz will gemeinsam mit seinem Team und einem internationalen Konsortium erstmals Partikel bis zu einer Größe von zehn Nanometern messen. Dass das Verfahren in der Lage dazu ist, konnten bereits Tests am Rollenprüfstand des Instituts für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik sowie im praktischen Fahrbetrieb zeigen.

Flüssige Partikel machen Analyse komplex

Doch warum ist die Analyse von der besonders kleinen Nanopartikel so kompliziert? „Im Bereich unter 23 Nanometern sind viele flüssige Partikel im Abgas vorhanden“, erklärt Bainschab. „Diese flüchtigen Tröpfchen sind nicht so stark gesundheitsgefährdend wie die festen Partikel. Für ein exaktes Testergebnis muss daher sichergestellt sein, dass beim Messen nicht irrtümlich flüssige Partikel erfasst werden“, weiß der Forscher.

„Mit aktuellen Messmethoden ist es in dieser Qualität nicht möglich, flüssige Partikel zu entfernen, ohne dass nicht auch ein Großteil der festen Partikel verloren geht“, so Bainschab. Durch ein optimiertes Verdünnungssystem und durch die Oxidation von Kohlenwasserstoffen mithilfe eines Katalysators sei das nun aber gelungen.

Herzstück des Verfahrens ist ein mobiles Emissionsmessgerät, das am Kfz-Auspuff befestigt wird und dort sowohl neue als auch gealterte ultrafeine Partikel misst. Das Erfassen von neuen und gealterten Partikeln birgt dabei in zweierlei Hinsicht Vorteile, wie Bainschab erklärt: „In Kombination mit einem Aerosol-Massenspektrometer lässt sich das Verhältnis der Fahrzeugemissionen zu gealterten Partikeln untersuchen und feststellen, ob diese sogenannten sekundären Aerosole durch den Schadstoffausstoß erzeugt werden."

TU Graz, Staubpartikelfilter © © Helmut Lunghammer

Erforschten im Horizon 2020-Projekt gemeinsam die Welt der Emissionen (v.l.): Lukas Landl (Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik der TU Graz), Panu Karjalainen (Aerosol Physics Laboratory der Universität Tampere) und Markus Bainschab (Institut für Elektrische Messtechnik und Sensorik der TU Graz)

Bei diesen sekundären Aerosolen muss es sich nicht zwingend um Fahrzeugpartikel handeln. Die atmosphärisch gealterten Partikel können auch aus dem Meer, aus der Landwirtschaft, aus Wäldern oder von natürlichen Prozessen stammen. Beim Verfahren werden zunächst die neu produzierten Emissionen des Autos erfasst, künstlich atmosphärisch gealtert und analysiert. Anschließend werden die Daten mit jenen der gemessenen sekundären Aerosole aus der Luft abgeglichen. Das Resultat zeigt den realen Einfluss der Autoabgase auf die Luftqualität.

Der Prozess liefert ein besseres Verständnis zur Entstehung von Sekundäraerosolen durch Auto-Abgase und kann Automobilhersteller dabei unterstützen, durch die Entwicklung neuer Verbrennungsmotoren oder durch Abgasnachbehandlungen die Fahrzeugemissionen zu reduzieren. Außerdem kann der Forschungserfolg als Grundlage für eine neue Abgasgesetzgebung dienen.