Feinstaub : Hochpräziser Nanopartikelsensor zur Abgasmessung

Die Feinstaubbelastung, und darunter auch die von Verbrennungsmotoren emittierten Nanopartikel, zu senken, ist von allgemeinem Interesse. Ein Forscherteam der CTR Carinthian Tech Research in Villach und der AVL List GmbH in Graz entwickelte einen hochpräzisen optischen Sensor, der selbst kleinste Nanopartikel unter 0,2 Mikrometer (µm) detektiert. Eine Größe, die von besonderem Interesse ist, denn je kleiner die Teilchen sind, umso schädlicher sind sie für den Menschen. Durch einen maßgeschneiderten, simulationsgestützten Designprozess kann der Partikelsensor präzise kleinste Schadstoffe detektieren und mit dreifach erhöhter Dynamik messen. Gleichzeitig wurde die gesamte Stabilität und Regelung des Systems verbessert. Anwendung findet diese neue Entwicklung in der Abgasanalytik Produktlinie "APCplus" von AVL, die seit Herbst 2016 am Markt verfügbar ist. Das Gerät wird sowohl in der automobilen Entwicklung als auch in der laufenden Überprüfung und Abgasmessung eingesetzt.

Unter allen Luftschadstoffen werden insbesondere Nanopartikel unter 200 Nanometer (nm) erfasst. Deren Messung ist besonders schwierig. Die Messung der tatsächlichen Partikelemissionen benötigt daher präzise und zuverlässige Sensoren. Dabei müssen die Nanopartikel in der Luft oder im Abgas einzeln und nicht als Summenparameter gezählt werden. Die Nanopartikel werden dazu in eine übersättigte Atmosphäre geleitet. In dieser wirken sie als Kondensationskeime und erzeugen eine Art Nebel, dessen Tröpfchen einzeln gezählt werden können. Dabei müssen die wechselwirkenden thermischen, physikalischen und chemischen Prozesse perfekt aufeinander abgestimmt sein, um eine zuverlässige Partikeldetektion zu gewährleisten. „Wir haben am Computer ein umfangreiches 3-D-Simulationsmodell erstellt und mit experimentellen Daten verglichen. Die Herausforderung lag in der Komplexität des Messprinzips und den wechselseitigen Abhängigkeiten. Erst wenn man systemisch und umfassend forscht und entwickelt, wird das gesamte System verbessert", so Martin Kraft, CTR Forschungsleiter für photonische Systemtechnik.

Für Tristan Reinisch, Teamleiter Produkt Entwicklung bei AVL, führt die Forschungszusammenarbeit letztlich zum Mehrwert für den Anwender: „Der Nanopartikelsensor hat eine um 20 Prozent verbesserte Leistung. Wir erreichen eine hohe Trennschärfe in Bezug auf den Durchmesser der Nanopartikel und erhalten schnellere Messergebnisse." Der Nanopartikelsensor„APCplus" wurde in Österreich entwickelt und gefertigt. Weitere Entwicklungen dieser Art sind geplant.

Die Forschungszusammenarbeit zwischen AVL und CTR ist langfristig angelegt. Erste grundlegende Forschungen starteten schon in der ersten Phase (2008 bis 2014) des Kompetenzzentrenprogrammes COMET und werden im laufenden Programm (2015-2022) im Rahmen von ASSIC (Austrian Smart Systems Integration Research Center) vorangetrieben.