Neue Treibstoffe auf dem Prüfstand.
Text: Angelika Jacobs
Die CO₂-Emissionen in Transport und Verkehr müssen sinken. Nutzfahrzeuge, Flugzeuge und Schiffsverkehr lassen sich aber nur schwer elektrifizieren. Eine Alternative sind CO₂-neutrale oder -ärmere Treibstoffe wie Ammoniak, Methanol, Wasserstoff und synthetisches Kerosin. Aber sind die Abgase damit wirklich klimafreundlicher? Und sind ihre Bestandteile gesundheitlich unbedenklich?
Diese Fragen rund um neue Treibstoffe soll das europäische Projekt LowC ergründen, an dem Forschende der Universität Basel beteiligt sind. An der Universität Rostock in Deutschland, die das Projekt zusammen mit dem Norwegischen Institute of Public Health in Oslo leitet, misst das Forschungsteam die Abgase aus diversen Treibstoffen beim Betrieb verschiedener Motoren. Dazu zählt beispielsweise ein 4-Zylinder-Motor für schwere Nutzfahrzeuge (im Bild). Dabei laufen die Motoren mal höhertourig, mal gedrosselt, ähnlich wie im Normalbetrieb.
Die Abgase gelangen über Rohre entweder direkt zu den verschiedenen Messgeräten oder «altern» zunächst in diesem grau verkleideten Tank. Im Inneren bestrahlen die Forschenden die Abgase mit UV-Licht, um die Moleküle ähnlich wie in der Atmosphäre unter Sonnenlicht, Luftfeuchtigkeit und anderen Spurengasen, wie etwa Ozon, zunächst reagieren zu lassen.
Alle Bestandteile der Abgase werden chemisch und toxikologisch analysiert. Ziel ist ein detailliertes Bild der Eigenschaften und möglichen Auswirkungen der enthaltenen Gase und Partikel auf das Klima und die menschliche Gesundheit.
Ein Fokus des Teams der Universität Basel liegt auf gasförmigen Verbindungen im Abgas, sogenannten flüchtigen organischen Verbindungen wie Benzol, die teilweise selbst gesundheitsschädlich oder klimawirksam sind oder im Tank (siehe Bild oben) zu schädlichen Verbindungen weiter reagieren. Matthias Harder, PostDoc an der Universität Basel, wechselt regelmässig den Filter des Messgeräts, eines Massenspektrometers. Da nur Gase in die Analyse einfliessen sollen, fängt der Filter (im Ausschnitt) die enormen Mengen an Partikeln wie Russ ab, die beim Verbrennen im Motor entstehen.
Der Motor läuft durchgehend und simuliert den Normalbetrieb inklusive Beschleunigen und Bremsen. So erhalten die Forschenden ein hochaufgelöstes Echtzeitprofil der Gasverbindungen, entweder direkt «ab Auspuff» oder nach Alterung. Neben den alternativen Treibstoffen wie Methan, Ammoniak, Wasserstoff und synthetischem Kerosin erstellen die Forschenden auch Profile der Abgase mit herkömmlichen fossilen Treibstoffen, um sie vergleichen zu können.
Eine weitere Analyse des Basler Teams bedarf einiger Vorbereitung im Labor: Ziel ist es, zu messen, wie stark Feinstaubpartikel aus den Abgasen oxidativen Stress in Zellen auslösen können. Dieser kann das Erbgut und andere Zellbestandteile schädigen und steht mit verschiedenen Krankheiten wie Krebs in Zusammenhang. Doktorandin Elisa Chamot (vorne) und Matthias Harder bereiten die Chemikalien für ihre Messungen vor.
Im Zentrum steht Ascorbinsäure (Vitamin C), ein wichtiges körpereigenes Antioxidans in der Lunge. Wenn Feinstaubpartikel aus den Abgasen ein hohes oxidatives Potenzial haben, «verbrauchen» und oxidieren sie die Ascorbinsäure schneller, als der Körper dieses Antioxidans herstellen kann, und können so Zellschädigungen, oxidativen Stress und Krankheiten auslösen.
Das in Basel entwickelte Messgerät (OOPAAI für «online oxidative potential ascorbic acid instrument») bringt Feinstaubpartikel aus den Abgasen direkt mit der Ascorbinsäure zusammen, um auch hochreaktive und damit sehr kurzlebige Partikel zu erfassen und die oxidierenden Eigenschaften von Feinstaub auch unter sehr schnell wechselnden Bedingungen wie in Motorenabgas bestimmen zu können. Bei früheren Messmethoden verging zu viel Zeit zwischen Probennahme und Messung, wodurch die Schädlichkeit der Partikel oft stark unterschätzt wurde.
Mithilfe von Kohlefiltern werden die Gasbestandteile im Motorenabgas entfernt, damit nur Partikel zur Analyse des oxidativen Potenzials gelangen (links). Ein auf 37 Grad temperiertes Heizbad simuliert die Körpertemperatur in der Lunge, wo die Partikel mit körpereigener Ascorbinsäure reagieren würden. Elisa Chamot wechselt regelmässig die Schläuche im Heizbad aus, durch die die Partikel und die Reagenzien strömen, weil sie mit der Zeit durch Ablagerungen verschmutzt werden (rechts).
Elisa Chamot und Matthias Harder sichten die Daten, die das OOPAAI kontinuierlich liefert. Erste Ergebnisse zeigen, dass die schädlichsten Verbindungen oft nicht direkt aus dem Auspuff stammen, sondern erst durch Alterung der Abgase entstehen, wenn die Partikel mit Sonnenlicht und anderen Schadstoffen in der Atmosphäre reagieren.
Matthias Harder ist Postdoktorand in der Forschungsgruppe Atmosphärenwissenschaften der Universität Basel und beschäftigt sich schwerpunktmässig mit der Toxizität von Feinstaubpartikeln.
Elisa Chamot ist Doktorandin in der Forschungsgruppe von Markus Kalberer, Professor für Atmosphärenwissenschaften an der Universität Basel. Sie entwickelt ein neues Gerät zur Probennahme von Aerosolen.
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