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Sonntag, 21. Januar 2018

Messtechnik

Ultrafeinstaub – die große Gefahr

Von Ralph H. Ahrens | 19. Oktober 2017 | Ausgabe 42

Wie sich die Auswirkungen von ultrafeinen Partikeln in der Außenluft abschätzen lassen, legt eine neue VDI-Richtlinie fest. Sie zeigt auch, worauf es beim Messen und Bewerten der Ergebnisse ankommt.

BU Ultrafeinstaub
Foto: imago/Arnulf Hettrich

Der Straßenverkehr gehört neben Industrie, Kraftwerken und Kaminöfen mit zu den Hauptverursachern von Feinstaub.

Feinstaub entsteht bei nahezu allen Verbrennungsvorgängen: in der Industrie, im Straßenverkehr, beim Silvesterfeuerwerk und beim Rauchen. Die Partikel sind unterschiedlich groß. In der Dieseldebatte werden zurzeit Teilchen mit bis zu 2,5 µm oder bis zu 10 µm Durchmesser bewertet – eine Fraktion mit noch kleineren Teilchen aber nicht: die ultrafeinen Partikel (UFP). Doch es sind diese, die neben Atemwegs- auch Herz-Kreislauf-Erkrankungen auslösen. Vor allem Partikel, die kleiner als 100 nm im Durchmesser sind, gelangen bis zu den Lungenbläschen. Partikel um 20 nm bleiben am wahrscheinlichsten dort (s. Kasten li.).

400 000 vorzeitige Todesfälle pro Jahr durch Feinstaub

Entscheidend sei, „wie viele UFP nach dem Einatmen in der Lunge verbleiben“, sagt Christof Asbach vom Institut für Energie- und Umwelttechnik (IUTA) in Duisburg. Weil die Feinstaubbelastung als µg/m³ bestimmt wird, würden die Risiken durch UFP aufgrund deren Winzigkeit leicht übersehen: 125 Mio. Partikel mit einem Durchmesser von 20 nm wiegen so viel wie ein 10-µm-Partikel, so Asbach.

Kleine Partikel in der Lunge

Wie sich deren Risiken abschätzen lassen, zeigte bereits 1990 der Toxikologe Günter Oberdörster von der Universität Rochester im US-Staat New York. Er fand heraus, dass schwerlösliche UFP beispielsweise aus Titandioxid (TiO2) tief in die Lunge eindringen und dort Entzündungen hervorrufen können. Und es ist deren Oberfläche – genauer: deren lungendeponierbare Oberflächenkonzentration (LDSA = Lung-Deposited Surface Area) –, die mit dieser Reaktivität korreliert. Also weder Partikelanzahl noch Masse.

„Diese Konzentration korrekt zu bestimmen, braucht Know-how“, betont Asbach. Um Fehler zu vermeiden, haben sich daher zehn Fachleute in einer VDI-Arbeitsgruppe auf ein Mess- und Bewertungsverfahren geeinigt. Details dazu hat der VDI in der Richtlinie 3871 „Messen von Partikeln in der Außenluft – Elektrische Aerosolmonitore auf Basis der Diffusionsaufladung“ veröffentlicht. „Die Partikel werden in Messgeräten elektrisch aufgeladen, anschließend wird deren Ladung gemessen“, beschreibt Asbach die Methode. Und ergänzt: „Die Aufladung der Partikel hängt nicht von deren chemischer Zusammensetzung ab.“

Jedes LDSA-Messgerät sollte vier Elemente enthalten: einen Vorabscheider, der größere Teilchen abtrennt. Der Luftstrom wird dabei so geführt, dass größere Teilchen aufgrund ihrer Trägheit der Luftströmung nicht folgen können. Dann einen Diffusionsauflader, der Gasmoleküle ionisiert. Positiv geladene Sauerstoff- oder Stickstoffionen wandern durch eine Gitterelektrode in den Luftstrom. Dort herrscht eine niedrige oder keine elektrische Feldstärke. Ionen und Partikel bewegen sich daher auf zufälligen Bahnen im Luftstrom. Stößt ein Ion auf einen Partikel, überträgt es seine Ladung. Je größer die Partikeloberfläche, desto mehr Ladung kann sie aufnehmen. Außerdem eine Ionenfalle, in der jene Gasionen, die keine Ladung abgegeben haben, abgeschieden werden, nicht jedoch die trägeren Partikel. Und schließlich einen Detektor, in dem der Luftstrom etwa auf einen Filter gelenkt wird, auf dem die Partikel hängen bleiben. Der Strom, der vom Filter abfließt, wird gemessen.

Doch das Verfahren ist nicht perfekt: Es erkennt nicht, wie giftig ein UFP ist. So gelten Rußteilchen aus Autoabgasen als gefährlicher als TiO2-Partikel oder am Meer aufgewirbelte Salzteilchen. Auch auf die Größenverteilung der Partikel müsse geachtet werden, so Asbach. „Nur wenn der Partikeldurchmesser zwischen 20 nm und 400 nm liegt, ist der Strom ein direktes Maß für deren LDSA.“ Kleinere Partikel verfälschen das Ergebnis leicht. Dies sei vernachlässigbar. „Gröbere Partikel sowie agglomerierte oder aggregierte kleine Partikel führen zu erheblichen Abweichungen.“ Ist deren Konzentration aber sehr gering, hält Asbach auch diesen Fehler für tolerabel.

Ein Beispiel: Das Duisburger Institut misst seit 2009 die LDSA-Konzentration in einem Wohngebiet in Mülheim/Ruhr. Bei Inversionswetterlage oder hohen Emissionen klettern die Werte auf über 100 µm2/cm3, in Silvesternächten sogar über 500 µm²/cm³. In windigen Sommernächten können die Werte dafür unter 5 µm2/cm3 fallen. IUTA bestimmt die Größenverteilung mit einem zweiten Gerät. Das Ergebnis: Partikel größer als 400 nm spielen am Messstand keine Rolle.

„Ist die Größenverteilung unbekannt, sind Partikel größer als 400 nm abzutrennen“, fordert Asbach. Hier sieht er Nachbesserungsbedarf bei den verfügbaren sechs Geräten. Nur drei besitzen einen Vorabscheider (1x 700 nm, 2x 1 µm). Diese ließen sich aber auch so konstruieren, dass sie Partikel größer als 400 nm abtrennen.

Bei allen Mängeln stellt das Verfahren für Asbach eine gute Möglichkeit dar, „schnell Daten zur Belastung mit ultrafeinen Partikeln zu erheben“ – zumal vier der sechs Geräte für den mobilen Einsatz konzipiert sind. Sie sind einfach zu bedienen und mit rund 10 000 € etwa halb so teuer wie stationäre Partikelzähler. In der Schweiz und den Niederlanden wird der Einsatz mobiler Geräte bereits erprobt, um die örtliche Variabilität feiner Partikel entlang der Hauptverkehrswege zu ermitteln.

Herausgeber der Richtlinie VDI 3871 „Messen von Partikeln in der Außenluft – Elektrische Aerosolmonitore auf Basis der Diffusionsaufladung“ ist der Normenausschuss der VDI/DIN-Kommission Reinhaltung der Luft (KRdL).

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