Die Wissenschaft hinter der Bildung von sekundären Aerosolen entschlüsseln

Stellen Sie sich vor, Sonnenlicht scheint über einer Stadtlandschaft. Während die Luft ruhig erscheint, verwandeln unsichtbare chemische Reaktionen Fahrzeugemissionen in neue, gefährlichere Schadstoffe – sekundäre Aerosole. Diese winzigen Partikel verschlechtern nicht nur die Luftqualität, sondern bergen auch erhebliche Risiken für die menschliche Gesundheit. Aber wie genau geschieht diese „Emissions-Alchemie“?

Eine bahnbrechende Studie hat die Rolle photochemischer Transformationen bei der Entstehung von sekundären Aerosolen untersucht. Die Forschung wurde im ILMARI-Verbrennungslabor der Universität Ostfinnland durchgeführt und konzentrierte sich auf zwei Euro-6-konforme Personenkraftwagen:

• Ein benzinbetriebener SEAT Arona (Euro 6b) mit Drei-Wege-Katalysator
• Ein dieselbetriebener SEAT Ateca (Euro 6d-temp) mit Oxidationskatalysator, Dieselpartikelfilter (DPF) und selektivem katalytischen Reduktionssystem (SCR)

Mithilfe eines Rollenprüfstands (Rototest VPA-RX3 2WD) simulierten die Forscher vier verschiedene Fahrszenarien, um reale Bedingungen nachzubilden und deren Auswirkungen auf die Bildung von sekundären Aerosolen zu analysieren.

Die Studie rekonstruierte sorgfältig vier Fahrszenarien, um Emissionsmuster unter verschiedenen Bedingungen zu verstehen:

• Kaltstart und 70 km/h Fahrt (CSC70): Simulierter Motorstart nach längerer Inaktivität (mindestens 12 Stunden), wobei die Probenahme unmittelbar nach der Zündung begann und innerhalb von 15 Sekunden die stabile Geschwindigkeit erreichte.
• 120 km/h Autobahnfahrt (D120): Nachbildung von anhaltendem Hochgeschwindigkeitsfahren zur Bewertung der Emissionen unter typischen Autobahnbedingungen.
• Hohe Motorlast (3000 U/min, ~40 kW Radleistung): Nachahmung anspruchsvoller Situationen wie Bergauffahren oder Beschleunigen zum Überholen.
• Extreme Motorlast (5000 U/min, ~50 kW Radleistung): Stellte maximale Leistungsszenarien dar, um die Emissionsgrenzen zu bewerten.

Für Nicht-Kaltstart-Tests konditionierten die Forscher die Motoren vor, indem sie fünf Minuten lang bei 3000 U/min mit 50 Nm Last liefen, bevor sie die Testparameter anpassten, um stabile Motortemperaturen und Emissionskonzentrationen sicherzustellen.

Die Studie umfasste verschiedene Kraftstoffformulierungen, um deren Auswirkungen auf die Umwelt zu bewerten:

• Dieselfahrzeuge: Getestet mit Standard-B7-Biodiesel (7 % erneuerbarer Anteil) und 100 % hydriertem Pflanzenöl (HVO), einer sauberer verbrennenden erneuerbaren Alternative.
• Benzinfahrzeuge: Bewertet mit kommerziellen Ethanol-Mischungen (E5, E10) und reformuliertem Benzin (RFG) mit etwa 20 % Alkoholgehalt.

Alle Kraftstoffwechsel erfolgten in zertifizierten Servicezentren mit gründlicher Tankreinigung zwischen den Tests, um Kreuzkontaminationen zu vermeiden.

Diese Forschung liefert wichtige Erkenntnisse darüber, wie sich Fahrzeugemissionen im Sonnenlicht entwickeln, insbesondere in Bezug auf Stickstoffoxide (NOx) und flüchtige organische Verbindungen (VOC) – wichtige Vorläufer für Ozon und sekundäre Aerosole. Die Ergebnisse deuten darauf hin:

• Bedingungen mit hoher Last erzeugen erhöhte NOx- und VOC-Emissionen und beschleunigen photochemische Reaktionen
• Ethanolhaltiges Benzin kann die Aldehydemissionen erhöhen und möglicherweise die Produktion von sekundären Aerosolen steigern
• Moderne Nachbehandlungssysteme (DPF, SCR) zeigen je nach Betriebsbedingungen unterschiedliche Wirksamkeit

Diese Ergebnisse werden genauere Luftqualitätsmodelle informieren und politischen Entscheidungsträgern helfen, gezielte Emissionsreduktionsstrategien zu entwickeln. Da sich die Fahrzeugtechnologie mit zunehmender Elektrifizierung weiterentwickelt, könnten zukünftige Studien untersuchen, wie Hybrid- und Elektrofahrzeuge die Bildung von sekundären Aerosolen durch Nicht-Auspuff-Emissionen und Energieerzeugungspfade beeinflussen.