Ultrafeine Partikel entstehen bei Verbrennungsprozessen, beispielsweise beim Verbrennen von Holz oder Biomasse, sowie bei Stromerzeugungs- und Industrieprozessen. Neben dem Straßenverkehr sind große Flughäfen eine wichtige Quelle dieser ultrafeinen Partikel, die weniger als 100 Millionstel Millimeter (100 Nanometer) groß sind. Weil sie so klein sind, können sie tief in die unteren Atemwege vordringen, die Luft-Blut-Schranke überwinden und je nach Zusammensetzung beispielsweise Entzündungsreaktionen im Gewebe hervorrufen. Zudem stehen ultrafeine Partikel im Verdacht, Herz-Kreislauf-Erkrankungen auslösen zu können.
Das Hessische Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie (HLNUG) misst seit mehreren Jahren an Luftmessstationen im Umfeld des Frankfurter Flughafens, beispielsweise im Frankfurter Stadtteil Schwanheim, die Anzahl und Größe ultrafeiner Partikel Raunheim. Im vergangenen Jahr analysierten Wissenschaftler um Professor Alexander Vogel von der Goethe-Universität Frankfurt die chemische Zusammensetzung der ultrafeinen Partikel und stießen dabei auf eine Gruppe organischer Verbindungen, die ihrem chemischen Fingerabdruck nach aus Flugzeugschmierölen stammen.
Diesen Befund hat das Forscherteam nun durch weitere chemische Messungen der ultrafeinen Partikel untermauert: Sie stammten zu einem erheblichen Teil aus synthetischen Düsenölen und waren besonders stark in den kleinsten Partikelklassen, also Partikeln mit einer Größe von 10 bis 18 Nanometern, vertreten. Solche Schmieröle können beispielsweise durch Entlüftungsöffnungen in den Abgasstrahl von Flugzeugtriebwerken gelangen, wo nanometergroße Öltröpfchen und gasförmige Öldämpfe nicht vollständig zurückgehalten werden.
In Laborversuchen gelang es den Forschern zudem, die Bildung ultrafeiner Partikel aus Schmierölen nachzubilden. Dazu wurde zunächst ein gängiges Motorschmieröl bei rund 300 °C in einem heißen Gasstrom, der die Abgasfahne eines Flugzeugtriebwerks simulierte, verdampft und anschließend abgekühlt. Anschließend wurde die Anzahl-Größen-Verteilung der frisch gebildeten Partikel gemessen.
Alexander Vogel, Professor für Atmosphärische Umweltanalytik am Institut für Atmosphäre und Umweltwissenschaften der Goethe-Universität Frankfurt, erklärt: „Beim Abkühlen des Öldampfs werden die gasförmigen synthetischen Ester übersättigt und bilden die Keime für neue Partikel, die dann schnell anwachsen können etwa 10 Nanometer groß.
„Diese Partikel machen, wie unsere Experimente zeigen, einen großen Teil der ultrafeinen Partikel aus, die von Flugzeugtriebwerken produziert werden. Die bisherige Annahme, dass ultrafeine Partikel hauptsächlich aus Schwefel und aromatischen Verbindungen in Kerosin stammen, ist offensichtlich unvollständig. Nach unseren Erkenntnissen sinken die Schmierölemissionen aus Strahltriebwerken birgt ein erhebliches Potenzial zur Reduzierung ultrafeiner Partikel.“
Die Experimente zeigen, dass die Bildung ultrafeiner Partikel in Strahltriebwerken nicht allein auf die Verbrennung von Kerosin beschränkt ist. Mögliche Minderungsmaßnahmen sollten dies berücksichtigen. Das bedeutet, dass der Einsatz von schwefelarmem Kerosin oder der Umstieg auf nachhaltigen Flugtreibstoff die Belastung durch ultrafeine Partikel nicht vollständig eliminieren kann.
Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Kommunikation Erde & Umwelt.
Eine umfassende wissenschaftliche Studie des Landes Hessen, die 2023 startet, wird die Belastung durch ultrafeine Partikel und ihre Auswirkungen auf die Gesundheit untersuchen. In diesem Zusammenhang können die Ergebnisse der aktuellen Studie helfen, flughafenspezifische Partikel zu identifizieren und mögliche Minderungsmaßnahmen abzuleiten.
Mehr Informationen:
Florian Ungeheuer et al, Die Nukleation von Triebwerksöldämpfen ist eine große Quelle luftfahrtbezogener ultrafeiner Partikel, Kommunikation Erde & Umwelt (2022). DOI: 10.1038/s43247-022-00653-w