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Feinstaubquelle Verkehr

Neue Messmethode für den Bremsstaub von Autos

Bremsen
Auch die Bremsen eines Autos emittieren Feinstaub-Partikel. (Bild: Empa)

Partikelschleuder Auto: Seit Partikelfilter für den Auspuff von Fahrzeugen vorgeschrieben sind, stoßen Verbrennungsmotoren weniger Feinstaub aus. Doch auch der Bremsscheiben- und Reifenabrieb trägt zur Feinstaub-Belastung der Luft bei. Deshalb haben Forscher nun ein neues Verfahren entwickelt, um diesen Bremsstaub zu messen, die Partikel zu identifizieren und zukünftig das Staubaufkommen verschiedener Automodelle vergleichen zu können.

Feinstaub besteht aus winzigen Teilchen, die nicht sofort zu Boden sinken, sondern länger in der Luft schweben. Je kleiner sie sind, desto mehr schädigen sie unsere Gesundheit, da sie weiter in den Atemtrakt vordingen können. Wenige Mikrometer große Partikel können zum Beispiel Asthma begünstigen und ultrafeine Teilchen gelangen sogar in den Blutkreislauf und das Gehirn. Der größte Teil dieser Feinstaubpartikel entsteht im Straßenverkehr durch Verbrennungsmotoren. Mittels Auspufffiltern und Fahrverboten in Städten konnte die Belastung etwas gesenkt werden.

Warum der Staubtest so schwierig ist

Aber nicht nur die Motoren von Fahrzeugen setzen große Mengen Feinstaub frei. Die Partikel gelangen unter anderem auch durch den Abrieb von Bremsen und Reifen in die Luft. Das Problem: Über diese Partikel ist bisher wenig bekannt, da es noch kein Verfahren gibt, mit dem man die Masse und Anzahl der emittierten Teilchen vom Bremsstaub genau messen kann. Die Schwierigkeit dabei ist, dass die rotierenden Bremsen – anders als ein Auspuffrohr – die Partikel nicht in eine, sondern in alle Raumrichtungen verteilen. Man muss die Partikel also zunächst einfangen und dann durch einen Trichter Richtung Messgerät fliegen lassen. Bei dem Prozess darf so wenig wie möglich verloren gehen: Weder dürfen leichte Partikel entweichen, noch dürfen schwere Partikel in den Leitungen liegen bleiben.

Zwei weitere Komplikationen kommen dazu: Die Bremse eines Autos steckt an einer rotierenden Antriebswelle, die es für die Messung sorgfältig abzudichten gilt, damit keine Partikel entschwinden. Und eine Bremse braucht Kühlung. Beim fahrenden Auto sorgt der Fahrtwind zusammen mit Ventilationslamellen zwischen den Bremsscheiben für einen kühlenden Luftzug. Eine voll eingeschlossene Bremse auf einem Prüfstand kann dagegen schnell heißlaufen – und würde dann völlig andere Partikel produzieren als im realen Alltagsverkehr. Eine solche Messung wäre von geringem Wert. Einige dieser Problem lassen sich umgehen, wenn man die Bremsen ausbaut und sie dann in größeren Kammern testest. Doch das erfasst die reale Situation am Auto nur bedingt.

Eingefangen und sortiert

Forscher um Panayotis Eggenschwiler von der Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa haben daher nun ein neues Messverfahren entwickelt. „Wir wollen während eines Fahrversuchs am Prüfstand alle Emissionen eines Autos gleichzeitig messen“, erklärt Eggenschwiler. „Das hat eine größere Aussagekraft als Daten aus einem isolierten Bremsprüfstand, die dann auf reale Verhältnisse umgerechnet werden müssen.“ Dafür stellen die Forscher das Auto eines gängiges Fabrikats auf einen Rollenmessstand. Darauf gurten sie das Fahrzeug fest und umhüllen die Bremse des rechten Vorderrads mit einem speziell konstruierten Metallgehäuse. Ein Druckluftschlauch förderte von der Wagenfront her große Mengen Kühlluft in die Blechhülle, die zugleich als Transportmedium für die abgeriebenen Bremspartikel diente.

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Die abströmende Luft wird in eine etwa ein Meter lange Röhre gelenkt und landet nach kurzer Flugzeit in einem 13-stufigen Kaskadenimpaktor – einem speziellen Messgerät, das die eingefangenen Partikel im Mikro- und Nanometerbereich automatisch nach Größe sortiert. Die solcherart nach Größe sortierten Feinstaub-Partikel können dann gewogen, chemisch analysiert und im Elektronenmikroskop etwa auf ihre Morphologie hin untersucht werden. Die ersten Vorversuche mit diesem neuen Verfahren waren bereits erfolgreich und haben erste Erkenntnisse über die Zusammensetzung des Bremsstaubs geliefert: „Es ist vor allem Eisenoxid, das hauptsächlich von der Bremsscheibe stammt, sowie eine Reihe von Elementen wie Aluminium, Magnesium, Kalzium, Kalium und Titan, die von den Bremsbelägen herkommen“, berichtet Eggenschwiler. Neben größeren Partikeln detektierte das Team auch kleinere Staubteilchen, die beim Einatmen in die Lunge gelangen könnten.

Die Forscher planen nun weitere Versuchsreihen. „Wir wollen zum Beispiel herausfinden, ob Hybridautos anders bremsen als Autos mit herkömmlichem Antrieb und dadurch auch andere Emissionen verursachen“, erläutert Eggenschwiler. Denn Hybridautos können auch mit Hilfe ihres Elektromotors bremsen und müssen die mechanischen Bremsen daher seltener einsetzen. „Mit den Messwerten wird es möglich sein, die Betriebsphasen kommender Fahrzeuggenerationen zu optimieren und die Bremsstaubemissionen besser zu kontrollieren als heute“, so der Wissenschaftler abschließend.

Quelle: Empa – Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

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