Optischer Sensor misst winzige Feinstaubpartikel

Technik. Ein hochpräziser Partikelsensor ist das Ergebnis einer fünfjährigen Forschungskooperation in Österreich. In Abgasmessgeräten soll der Sensor Partikel des Ultrafeinstaubs schneller und präziser auffinden und zählen.

Martin Kraft freut sich. Vor allem über die Tatsache, dass nach fünf Jahren Arbeit nicht „nur“Forschungsergebnisse, sondern ein konkretes Produkt entstanden ist, das nun in Österreich gebaut und verkauft wird. „Für mich als Wissenschaftler ist das super“, sagt der Forschungsleiter für photonische Systemtechnik am Forschungszentrum CTR (Carinthian Tech Research) in Villach.

Die Rede ist von einem optischen Sensor, der nicht nur Feinstaub, sondern auch schwieriger zu erfassende Ultrafeinstaubpartikel in Autoabgasen detektiert und quantifiziert. Und zwar schneller und genauer als bisher möglich. Bei Ultrafeinstaub handelt es sich um Partikel, die, je nach Definition, kleiner als 0,2 Mikrometer sind. Ihr Durchmesser beträgt also zwei Zehntausendstel eines Millimeters oder weniger. Entstanden ist das Gerät aus einer Zusammenarbeit der CTR und des Automobilzulieferers AVL List in Graz.

Die Forscher haben dazu das bekannte Prinzip eines Kondensationspartikel-Zählers weiterentwickelt. Grundproblem der Feinstaubanalytik ist, dass die winzigen Schwebeteilchen optisch nicht zu erkennen sind. „Ich sehe nichts, was kleiner ist als die halbe Wellenlänge des Lichts“, erklärt Kraft. Jener Staub, der je nach Sonneneinfall sichtbar am Zimmerfenster wabert, ist vergleichsweise harmlos. Er wird beim Einatmen vom Körper ausgefiltert.

Um nun eigentlich unsichtbare Staubpartikel erkenn- und damit zählbar zu machen, wird Abgas in eine Art Nebelkammer geleitet. In dieser ist die Luft mit einem Lösungsmittel übersättigt, das rund um die Partikel zu kondensieren beginnt. „Aus einem Partikel von beispielsweise 0,03 Mikrometer wird typischerweise ein Tröpfchen im Größenbereich von fünf Mikrometer. Das ist dann groß genug, um es zu detektieren“, so Kraft.

Das Prinzip ist der Natur abgeschaut: Wenn unsichtbares, gasförmiges Wasser an Staubteilchen kondensiert, bilden sich sichtbare Dampfschwaden. Werden die Tröpfchen größer und schwerer, fallen sie als Regen zu Boden. Im Kondensationspartikel-Zähler wird allerdings nicht Wasser, sondern 1-Butanol-Alkohol thermisch verdampft. Im weiteren Verlauf kühlt die Umgebung ab, wodurch die Atmosphäre übersättigt und die Bedingungen für Kondensation gegeben sind.

Jedes Teilchen erkennen

Was macht das neue Abgasmessgerät besser als seine Vorgängermodelle? Grundsätzlich drehten die Wissenschaftler bei ihrer wesentlich durch Computersimulationen unterstützten Arbeit an allerlei thermischen, physikalischen und chemischen Stellschrauben.

„Was wir zum Beispiel gesehen haben: Die Qualität der Sättigung mit dem Betriebsmittel, also dem Alkohol, hat einen enormen Einfluss auf die Stabilität der Messung“, berichtet Kraft. „Es geht darum, dass jedes Partikel in einzelnen Abschnitten überall auf diesel- ben Bedingungen trifft.“So lässt sich etwa vermeiden, dass bei hohen Staubkonzentrationen mehrere Partikel zu einem Tröpfchen zusammenwachsen, das damit vom Sensor nur als ein einzelnes Partikel erkannt wird.

Um das zu erreichen, wurden etwa das Verhältnis von Volumen und Oberfläche der VerdampferElemente sowie Materialeigenschaften optimiert.

Seit Kurzem ist das neue Abgasmessgerät am Markt. Es kann sowohl der Entwicklung sauberer Motoren als auch der Abgaskontrolle dienen. sprich 0,2 Mikrometer, bilden eine gebräuchliche Obergrenze zur Definition von Ultrafeinstaub. Auch 0,1 Mikrometer werden genannt, also 0,0001 Millimeter.

beschäftigt die Grazer AVL List GmbH nach eigenen Angaben weltweit. Rund 3600 davon am Standort Graz.