Wie gefährlich sind Nanopartikel?

Schwebestäube in der Atmosphäre gelten schon lange als schädlich für die Gesundheit. Die kleinsten von ihnen, ultrafeine Partikel genannt, werden vorwiegend durch Verbrennungsprozesse wie z.B. Dieselmotoren erzeugt. An der ETH Zürich haben diese Woche Fachleute aus aller Welt diskutiert, ob Masse, Anzahlkonzentration oder chemische Zusammensetzung der verbrennungsgenerierten Nanopartikel schädigende Effekte auslösen, wie diese Teilchen Atmosphäre und Klima beeinflussen, wie man sie mit genügender Präzision detektieren kann und wie man mit neuen Technologien deren Anzahl deutlich reduzieren kann.

Die Konzentration gasförmiger Schadstoffe in der Atmosphäre geht, zumindest in der Schweiz, eindeutig und signifikant zurück. Umso mehr rückt die Problematik der feinen und ultra-feinen Nanopartikel ins Zentrum des Interesses. Aufgrund von epidemiologischen Studien besteht heute kaum noch Zweifel, dass eine grössere Pratikelkonzentration in der Atemluft mit erhöhter Häufigkeit von Atemwegs- und Kreislauferkrankungen zusammenhängt. Grenzwerte sowohl für den Partikelausstoss direkt am Auspuff (Emission) oder für die Partikelkonzentration in der Atmosphäre (Immission) basieren in der heutigen Gesetzgebung auf der Massenkonzentration. Mittlerweile mehren sich jedoch die Hinweise, dass bei den Gesundheitseffekten zusätzlich die Anzahlkonzentration der Nanopartikel, insbesondere im Ultrafeinbereich, aber auch deren chemische Zusammensetzung eine wichtige Rolle spielen. Vom 18. bis 20. August 2003 haben sich an der ETH Zürich Fachleute aus aller Welt getroffen, um Fragen zu den gesundheitlich schädigenden Wirkmechanismen, der geeigneten Parameter zur Erfassung der Nanopartikel und zu neuen Technologien für deren Reduktion oder sogar Eliminierung zu diskutieren.

Masse, Grösse oder Oberfläche?

Moderne Verbrennungssysteme zeichnen sich durch Russpartikelemissionen aus, deren Konzentration sich bald nahe der Nachweisgrenze von herkömmlichen Messmethoden befindet. Trotz dieses gewaltigen Fortschritts ist ohne nachträgliche Behandlung (z.B. durch Partikelfilter) eine verhältnismässig grosse Anzahl an ultrafeinen Partikeln im Verbrennungsabgas messbar. Da die Gesundheitseffekte der Partikel, vor allem auf die Atemwege, von deren Anzahl und aktiver Oberfläche abhängig zu sein scheinen, sucht die Fachwelt mit Nachdruck nach der optimalen Messmethode zur einwandfreien Erfassung exakt dieser Eigenschaften. Es existieren wohl mehrere, relativ präzise Labormessgeräte, jedoch kaum feldtaugliche Systeme für Typenprüfung und Überwachung. Hier gibt es massiven Entwicklungsbedarf für die nächsten Jahre.

Nanopartikel und Einfluss auf das Klima – Neue Erkenntnisse

Ein interessanter Aspekt der Nanopartikelemissionen scheint ihr möglicher Einfluss auf das Klima auf der Erde zu sein. So zeigen neuere Berechnungen, auch wenn noch mit grösseren Unsicherheiten bezüglich des genauen Ausmasses behaftet, dass die optischen Eigenschaften der verbrennungsbedingten Nanopartikel eine Erhöhung der Absorption der Sonneneinstrahlung bewirken und somit wahrscheinlich zur Verstärkung des Treibhauseffektes beitragen.

Technologiepotentiale – Partikelfilter und einiges mehr

Forschung und Industrie haben einige technische Möglichkeiten entwickelt, um das längst erkannte Problem anzugehen. So sind in den letzten 10-15 Jahren die spezifischen Russpartikelemissionen von Dieselmotoren etwa um den Faktor 10 reduziert worden. Verbesserung der Treibstoffe (Schwefelentfernung) und vor allem innermotorische Massnahmen (elektronische Hochdruckeinspritzung, Aufladung, gekühlte Abgasrückführung) trugen wesentlich dazu bei und haben auch weiterhin ein grosses Entwicklungspotential. Die besten Möglichkeiten für eine weitere Absenkung um den Faktor 10 bis 100 bieten jedoch neue Partikelfilter. Für den PKW-Bereich von Peugeot schon demonstriert (fast alle Hersteller ziehen bis Ende 2004 nach) bedarf der Partikelfilter noch des Nachweises, dass er bei den erschwerten Betriebsbedingungen von Nutzfahrzeugen einwandfrei funktionieren kann. Hier liegt eine der zentralen technologischen Herausforderungen der nächsten Jahre.

Weitere Informationen:

Prof. Konstantinos Boulouchos
Laboratorium für Aerothermochemie und Verbrennungssysteme
Institut für Energietechnik
Telefon +41 (0)1-632-5648 , Fax -11 01
Email: boulouchos@lav.mavt.ethz.ch