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Partikelemissionen von Autos Bremsspuren in der Luft – Forscher messen Feinstaub direkt am Reifen

Autor / Redakteur: Rainer Klose* / Christian Lüttmann

Nicht nur, wer im Auto zu viel aufs Gas drückt, belastet die Umwelt. Auch Bremsen sorgt für Feinstaubemissionen. Um die Art und Menge der freigesetzten Partikel zu untersuchen, haben Empa-Forscher einen Teststand aufgebaut, an dem sie den Feinstaub direkt am Reifen abfangen. In weiteren Projekten wollen sie so prüfen, ob Hybridautos umweltfreundlicher bremsen als Benziner.

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Lebensnah: Die Empa misst Emissionen am ganzen Auto.
Lebensnah: Die Empa misst Emissionen am ganzen Auto.
(Bild: Empa/ Sabina Bobst, Gian Vaitl)

Dübendorf/Schweiz – Feinstaub ist ein Thema, was immer mehr an Bedeutung gewinnt. Schließlich geht es dabei letztendlich um die Gesundheit der Menschen. Eine lange Zeit kaum beachtete Quelle ist der Abrieb, der beim Bremsen von Autos entsteht. Erst im Juni 2016 beschloss eine Abteilung der UN-Wirtschaftskommission UNECE, dass es an der Zeit wäre, ein allgemein nutzbares Testverfahren für Bremsstaub zu entwickeln. Das Ziel der UNECE-Abteilung „Particle Measurement Programme Informal Working Group“ (PMP IWG): Ein Testverfahren mit dem sich Masse und Anzahl der emittierten Partikel zuverlässig feststellen lässt.

Bremspartikel auf Abwegen

Doch so ein Messverfahren ist schwierig zu entwickeln. Denn anderes als bei einem Auspuffrohr, das nur in eine Richtung bläst, verteilen sich Partikel bei einer rotierenden Bremsscheibe in alle Raumrichtungen. Man muss die Partikel also einfangen und durch einen Trichter Richtung Messgerät lenken. Dabei darf so wenig wie möglich verloren gehen: Weder dürfen leichte Partikel entweichen, noch dürfen schwere Partikel in den Leitungen liegen bleiben.

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Ebenfalls ein Hindernis ist die Kühlung der Bremse. Beim fahrenden Auto sorgt der Fahrtwind zusammen mit Ventilationslamellen zwischen den Bremsscheiben dafür. Eine voll eingeschlossene Bremse auf einem Prüfstand kann dagegen schnell heißlaufen – und würde völlig andere Partikel produzieren als im realen Alltagsverkehr. Die Ergebnisse hätten wenig Aussagekraft.

Testen: Komplett, nicht nur teilweise

Die Arbeitsgruppe PMP IWG der UNECE setzt für den Test auf Vereinfachung: Die gewünschten Bremsentests sollen in vollständig geschlossenen Prüfständen ablaufen. Solche Prüfstände gibt es. Sie ähneln großen Schränken, in denen Bremsscheiben und Bremsbeläge aufeinander reiben. Getestet wird dort also nur ein Bauteil, nicht das ganze Auto.

„Wir versuchen es auf anderem Weg“, sagt Projektleiter Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler, der den Versuchsaufbau an der Empa konzipiert. „Wir wollen während eines Fahrversuchs am Prüfstand alle Emissionen eines Autos gleichzeitig messen. Das hat eine größere Aussagekraft als Daten aus einem isolierten Bremsprüfstand, die dann auf reale Verhältnisse umgerechnet werden müssen.“

Eine luftige Spezialkonstruktion

Gemeinsam mit dem Ingenieur Daniel Schreiber hat Dimopoulos Eggenschwiler eine Empa-Variante des Tests entwickelt, die nun den Vergleich mit anderen, internationalen Arbeitsgruppen bestehen muss. Bei der Empa steht ein komplettes Auto auf dem Prüfstand, ein VW Jetta Hybrid. Die Bremse des rechten Vorderrads wurde mit einem speziell konstruierten Metallgehäuse umhüllt. Ein Druckluftschlauch fördert von der Wagenfront her große Mengen Kühlluft in die Blechhülle, zugleich ist die Luft das Transportmedium für die abgeriebenen Bremspartikel. Diese werden in eine etwa einen Meter lange Röhre gelenkt und erreichen nach kurzer Flugzeit einen 13-stufigen Kaskadenimpaktor, ein Messgerät, das Partikel nach Größe sortiert.

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So misst ein Kaskadenimpaktor Partikelgrößen

Im Kaskadenimpaktor wird ein Trägergasstrom auf eine Prallplatte geleitet. Die Luft strömt um diese Platte herum, wobei größere Partikel aufgrund des Trägheit nicht „die Kurve kriegen“ sondern auf der Platte auftreffen und dort von einem Glasfaservlies o.ä. festgehalten werden.

Schematische Darstellung eines Kaskadenimpaktors
Schematische Darstellung eines Kaskadenimpaktors
( Bild: Benjamin Haywood / CC BY-SA 4.0 )

Die kleineren Teilchen werden vom Luftstrom weitergetragen, zur nächsten Prallplatte. Deren Abstand ist etwas geringer, sodass nun wiederum die größten der noch übriggebliebenen Partikel dort auftreffen. Indem man mehrere Prallplatten hintereinander schaltet, lässt sich so der Partikelstrom in einzelne Größenintervalle trennen.

Indem man die auf dem Glasfaservlies zurückgehaltenen Partikel wiegt, lässt sich auf die Anzahl der Teilchen schließen und eine grobe Größenverteilung berechnen.

Nach dem Test können die Partikelfraktionen gewogen, chemisch analysiert und, je nach Bedarf, im Elektronenmikroskop etwa auf ihre Morphologie untersucht werden. „In Vorversuchen haben wir bereits festgestellt, aus welchen Bestandteilen die Partikel bestehen, sagt Dimopoulos Eggenschwiler. „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 her kommen.“ Neben großen, schweren Partikeln, fanden die Forscher auch kleinere, die durchaus eingeatmet werden und in die Lunge gelangen könnten.

Folgeprojekt: Bremsen Hybridautos anders?

Die EMPA-Forscher haben bereits neue Studien zur Feinstauberzeugung von Autos geplant. „Wir wollen zum Beispiel herausfinden, ob Hybridautos anders bremsen als Autos mit herkömmlichem Antrieb und dadurch auch andere Emissionen verursachen“, sagt der Projektleiter. Hybridautos können auch mithilfe 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“, gibt Dimopoulos Eggenschwiler einen Ausblick.

* R. Klose, EMPA Eidgenössische Material- Prüfungs-und Forschungsanstalt, 8600 Dübendorf/Schweiz

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