Messungen am Straßenrand

Seit Carl Benz das erste Automobil baute, sind gerade einmal 130 Jahre vergangen, doch seine Erfindung ist heute aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken. Autos machen uns mobil und ermöglichen Reisen an ferne Orte. Schon der tägliche Weg zur Arbeit wäre für viele ohne eigenes Fahrzeug nicht denkbar. Doch die Kehrseiten der Medaille sind inzwischen genauso offensichtlich wie ihre Vorteile: Überall auf der Welt leidet die Luftqualität in Städten und Metropolen unter der Abgasbelastung. Ozonloch und Klimawandel zählen zu den größten Menschheitsproblemen unserer Zeit.

In ganz Europa diskutieren Politiker und Wissenschaftler verschiedene Maßnahmen, um dem Ausstoß von CO₂, Treibhausgasen und Feinstaub Herr zu ­werden. In einigen Städten dürfen an Tagen mit geradem Datum nur Wagen mit geraden Zulassungsnummern fahren; anderswo müssen Autofahrer erhebliche Gebühren zahlen, um die Innenstädte befahren zu dürfen. In Deutschland führten die Überlegungen über Dieselfahrverbote zu erheblichem Unmut in der Bevölkerung. Gleichzeitig steigt aber auch das Bewusstsein für Umweltthemen. 

Realitätsnah

Im Jahr 2015 einigten sich Experten aus der EU, Japan und Indien auf einen neuen Teststandard. Diese Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure (WLTP) folgt den Empfehlungen des World Forum for Harmonization of Vehicle Regulations der UN Wirtschaftskommission für Europa (UNECE). Seit September 2018 müssen neue Automodelle nach diesen Regeln getestet werden. Neben den üblichen Laboruntersuchungen sind jetzt auch sogenannte RDE-Fahrten (Real Driving Emissions) nach klar definierten statistischen Richtlinien vorgeschrieben. Einige schädliche Abgase wie Stickoxide können im Labor nicht nachgewiesen werden, da sie nur unter bestimmten Situationen im Straßenverkehr auftreten. Daher wird das RDE-Verfahren sicherlich genauere und umfangreichere Daten liefern. Einige Wissenschaftler kritisieren jedoch, dass sich durch die sperrigen Messvorrichtungen Gewicht und Aerodynamik der Fahrzeuge verändern. Das verfälsche die Messergebnisse. Sie empfehlen den Einsatz von TDLAS-Systemen (siehe unten).

Die Detektoren ließen sich ohne sperrige Vorrichtungen direkt am Auspuff anbringen und die Messeinheiten passten problemlos in den Kofferraum.
Auch die Kontrollvorschriften für bereits zugelassene Fahrzeuge wurden europaweit vereinheitlicht. Nach der Erstzulassung gilt zunächst eine „Gnadenfrist“ von bis zu vier Jahren. Danach muss das Auto in regelmäßigen Abständen – meist alle zwei Jahre – eine technische Hauptuntersuchung mit Abgastest durchlaufen. Diese Vorschriften sollen sicherstellen, dass auf der Straße alle Autos den Abgasnormen entsprechen. Außerhalb der EU wird das Ganze etwas unübersichtlicher. So fallen die Fahrzeugtests in Kanada und den USA in die Gesetzgebung der Provinzen und Bundesstaaten. Der Clean Air Act von 1990 schreibt Abgasuntersuchungen lediglich für Metropolregionen vor, in den die Schadstoffkonzentration über den bundesweiten Grenzwerten liegt. Daher gibt es in nahezu jedem der 50 Bundesstaaten eigene Regelungen und dünn besiedelte Staaten wie Wyoming oder Alaska verzichten sogar völlig auf Abgastests.

Feste Messstationen

Weltweit wird in vielen Städten die Konzentration von Schadstoffen wie SO₂, H₂S, CO, NO, NO₂ oder Ozon an festen Messstationen rund um die Uhr überwacht. Oft kommt dabei für jeden Stoff eine andere Methode zum Einsatz. So werden zum Beispiel Schwefelverbindungen über UV-Fluoreszenz und Kohlenmonoxid über IR-Spektroskopie gemessen, während die Menge der Stickoxide durch Chemilumineszenz bestimmt wird. Die 24 h-Messungen liefern einen guten Überblick über die allgemeine Luftqualität. Sie unterscheiden jedoch nicht zwischen den verschiedenen Schadstoffquellen wie Straßenverkehr, Industrie oder Heizungen von Wohnhäusern. Sie spiegeln für ihren Einsatzort nur den Gesamtwert für einen bestimmten Zeitpunkt wider. Viele dieser Messstationen stehen an wichtigen Verkehrsknotenpunkten. Daher geht man davon aus, dass Schwankungen in erster Linie durch den Autoverkehr hervorgerufen werden. Die in den Medien genannten Luftwerte stammen in erster Linie aus diesen Messungen. Nach Angaben des Umweltbundesamtes, ist die Luftverschmutzung in Deutschland im Vergleich zu 1990 deutlich gesunken. ¹

IR-Messungen am Straßenrand

Wie es scheint, haben die europäischen Staaten endlich einen Weg gefunden, ihre Luftverschmutzung zu überwachen und Gegenmaßnahmen einzuleiten. Doch der Großteil des weltweiten CO₂-Ausstoßes hat seinen Ursprung außerhalb von Europa. Unter den Top-Five CO₂-Sündern finden sich vor allem stark wachsende Industrienationen wie China (29,1% des weltweiten Ausstoßes) oder Indien. 2014 hat die WHO Neu-Delhi zur schmutzigsten Stadt der Welt erklärt. Die Feinstaubwerte waren rund zehnmal höher als in europäischen Metropolen wie London oder Paris. Um dieser Probleme Herr zu werden, schlagen indische Wissenschaftler eine zuverlässige, kosteneffiziente und bedienungsfreundliche Methode für Abgasmessungen am Straßenrand vor.

Beim IR WORKshop 2016 von LASER COMPONENTS schlug Dr. T. K. ­Subramaniam vom Department of Science & Humanities (Physics) des Sri Sairam Engineering College in Chennai eine lasergestützte Technologie vor, mit der sich vor Ort alle Schadstoffwerte eines vorbeifahrenden Autos auf einen Schlag messen lassen. Dabei verwendet er das TDLAS-Verfahren (Tunable Diode ­Laser Absorption Spectroscopy), das auf allgemein bekannten Prinzipien der Spektroskopie aufbaut.
Neben durchstimmbaren Laserdioden werden hochsensible Detektoren und Glasfasern aus der Telekommunikation verwendet.

Dr. Subramaniam will die TDLAS-Messsysteme nutzen, um die Abgaswerte im laufenden Betrieb zu messen. Damit die Ergebnisse den durchschnittlichen Schadstoffausstoß eines Fahrzeugs widerspiegeln, muss der Motor bereits einige Zeit laufen, denn die Katalysatoren brauchen drei bis fünf Minuten, um ihre Betriebstemperatur zu erreichen. Während dieser Aufwärmphase werden Kohlenmonoxid und ungebundene Kohlenwasserstoffe freigesetzt. Auch die Emission von Stickoxiden steigt mit der Belastung des Motors. Die Messungen müssen daher an Straßenabschnitten durchgeführt werden, an denen die Autos sich auch wirklich bewegen. Dr. Subramaniam hält Autobahnkreuze und Mautstationen für die beste Lösung. „An Autobahnkreuzen ist der Motor schon eine geraume Zeit in Betrieb und an den Rampen wird er zusätzlich beansprucht. Wenn wir unsere Messsysteme dort installieren, können wir bei jedem einzelnen Fahrzeug die Umweltbelastung messen. An Mautstationen laufen die Motoren im Leerlauf, nachdem die Wagen bereits beträchtliche Strecken zurückgelegt haben. Hier könnte man zusätzlich weitere Sensoren einbauen, die zum Beispiel das Gewicht der Autos messen.
Auch diese Werte haben ja Einfluss auf den Schadstoffausstoß“, erklärt Dr. Subramaniam.

„Wenn ein Fahrzeug bei diesen Kontrollen die aktuellen staatlichen Grenzwerte überschreitet, würde eine Hochgeschwindigkeitskamera ausgelöst, die Fahrzeug, Fahrer und Nummernschild erfasst und mit einem Zeitstempel versieht. Je nach Umweltbelastung können dann entsprechende Maßnahmen eingeleitet werden. Das kann eine Aufforderung zur Kontrolluntersuchung sein, aber auch ein Bußgeld oder eine schwerwiegendere Maßnahme. Wenn alles in Ordnung ist, wäre eine Plakette möglich, die das Auto als „sauber“ kennzeichnet.“ Dr. Subramaniam ist überzeugt, dass „TDLAS eine narrensichere Methode zur Erkennung und Kontrolle des Schadstoffausstoßes ist. Damit könnte man jeden Tag tausende von Autos überprüfen.“

Einige US-Staaten verfolgen eine vergleichbare Strategie und führen, ähnlich wie bei Radarfallen, mobile Kontrollen durch. Der Vorteil liegt nach Ansicht von Experten vor allem in der Menge der Fahrzeuge, die im laufenden Betrieb getestet werden können. Die dabei erfassten Daten könnten von Herstellern und Regierungen genutzt werden. So ließe sich zum Beispiel feststellen, ob bestimmte Modelle oder Baureihen durch Designfehler besonders hohe Werte aufweisen.

¹  https://www.umweltbundesamt.de/daten/luft/luftschadstoff-emissionen-in-deutschland

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Dr. T.K. Subramaniam Dr. T.K. Subramaniam ist seit über zwölf Jahren Professor für Physik am Sri Sairam Engineering College in Chennai. Auf dem Gebiet der Laserspektroskopie kann er auf 29 Jahre Erfahrung in Wirtschaft und Forschung zurückblicken und gilt daher als weltweit anerkannter Experte. Im Jahr 2004 promovierte er an der renommierten Banaras Hindu Universität (BHU) in Varanasi. Dort war er auch maßgeblich am Aufbau eines Laserspektroskopie-Labors beteiligt. Sein Werk umfasst über zwanzig wissenschaftliche Veröffentlichungen in anerkannten internationalen Zeitschriften sowie Beiträge zum Lehrbuch „Engineering Physics“, das 2017 bei der Oxford University Press erschien. Daneben ist er auch als Peer-Reviewer für Veröffentlichungen der Optical Society of America (OSA) tätig, insbesondere für Applied Optics und das Journal of the Optical Society of America.

 

TDLAS
Die Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) nutzt durchstimmbare Laserdioden, um nicht nur die Existenz, sondern auch die Konzentration von Stoffen in einem Medium zu bestimmen. Nach dem Lambert-Beerschen-Gesetz hängt die Dämpfung eines Lichtimpulses von der Konzentration der absorbierenden Moleküle und der Weglänge ab, über die die Absorption stattfindet. Wenn Licht durch ein Medium strömt, werden darin enthaltene Moleküle angeregt und die Lichtintensität nimmt im selben Maße ab. Bei einer gegebenen Weglänge nimmt also die Dämpfung mit der Konzentration der Absorber zu. Halbleiterlaser können so abgestimmt werden, dass sie mehrere Absorptionslinien abbilden. Trifft der Strahl auf seinem Weg durch ein Gasgemisch auf Spuren des Zielgases, so wird bei einer bestimmten Wellenlänge eine Absorptionslinie messbar.

Misst man den Dämpfungsgrad dieser Absorptionslinien, kann man daraus die Konzentration des Zielgases bestimmen. Diese wird meist in Parts per Million Meter (ppm-m) ausgedrückt.

LASER COMPONENTS liefert Detektoren, Optiken und Laser an Hersteller von TDLS-Spezialgeräten.

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