Pictures of the Future Frühjahr 2005
Elemente des Lebens – Minimierung gefährlicher Stoffe
Kampf dem Ruß
Neue Technologien beheben das "Trilemma" der Dieselmotoren: Sie sparen Kraftstoff, bringen gute Leistung und reduzieren zugleich Rußpartikel und Stickoxide.
Weniger Gefahr für die Lungen: Der PM-Filterkat entfernt gerade die gefährlichsten Rußpartikel aus den Dieselabgasen. Besonders geformte Mikrokanäle lenken sie auf ein metallisches Vlies, wo sie verbrannt werden
Vier von zehn Neuwagen fahren in Deutschland bereits mit Dieselmotoren – Tendenz steigend. Der Grund für die Beliebtheit: Ein Dieselantrieb verbraucht gegenüber Ottomotoren dank eines höheren Wirkungsgrads weniger Kraftstoff. Doch auf der anderen Seite der Waagschale liegen einige Mankos: Rußpartikel, die im Verdacht stehen, Krebs auszulösen, und relativ hohe Stickoxid-Emissionen (NOx) im Abgas. Ab 2005 gelten daher in der Europäischen Union strengere Grenzwerte: die Feinstaub-Verordnung für die Luftqualität und die Abgasnorm Euro-4 (EU4), die für Diesel-Pkw nur halb so viel Rußpartikel und NOx-Werte erlaubt wie Euro-3. Für schwere Nutzfahrzeuge müssen die NOx-Werte um 30 % und die Partikelwerte um 80 % sinken. Und mit EU5 sollen ab 2010 die Grenzwerte weiter sinken. Das stellt die Hersteller vor ein "Trilemma": Idealerweise arbeiten Dieselmotoren bei einer hohen Verbrennungstemperatur, um gute Leistungen zu bringen und zugleich Kraftstoff zu sparen. Doch die hohe Temperatur bedingt eine Zunahme der Stickoxide. Verringert man sie hingegen, steigen Verbrauch und Rußpartikel-Ausstoß.
80 % weniger Feinstpartikel. Eine besonders effiziente Technologie, die beiden Schadstoffen zugleich zu Leibe rückt und sich sowohl für Lkw wie Pkw eignet, hat Emitec entwickelt, ein Gemeinschaftsunternehmen von Siemens und dem britischen Automobilzulieferer GKN: Der PM-Filter-Katalysator (PM steht für Particulate Matter) besteht aus einem Platin-Oxidationskatalysator und einem Partikelfilter. In der ersten Stufe wandelt der Katalysator nichtverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid in Kohlendioxid um. Zugleich oxidiert er Stickstoffoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO2). Letzteres spielt in der zweiten Stufe bei der Entfernung der Rußpartikel die entscheidende Rolle. Diese werden durch speziell geformte Mikrokanäle aus dem Abgasstrom entfernt und auf ein metallisches Vlies gelenkt. In dessen winzigen Poren lagern sich die Partikel an. Sie werden ab 200 °C mit dem Sauerstoff des NO2 verbrannt, das auf diese Weise zu NO zurückverwandelt wird.
Licht ohne Quecksilber
An der Fassade dieses Gebäudes erstrahlen 900 Planon-Kacheln als ein überdimensionales, 3 000 m² großes Display
Auch in vielen Alltagsdingen stecken Schadstoffe: etwa in Leuchtstofflampen. Sie enthalten in geringen Mengen giftiges Quecksilber, das UV-Strahlung erzeugt, die wiederum von Leuchtstoffen auf der Innenseite des Lampenkolbens absorbiert und in sichtbares Licht umgewandelt wird. Ist die Lampe einmal defekt, muss sie in den Sondermüll. Doch es gibt Alternativen: So haben Forscher der Siemens-Tochter Osram eine Leuchtstofflampe (Planon) entwickelt, die so flach wie eine Kachel ist und das umweltfreundliche, weil ungiftige Edelgas Xenon enthält. Die Lichterzeugung erfolgt durch eine gepulste dielektrisch behinderte Entladung. Das Xenon gibt daraufhin energiereiche UV-Strahlung ab und regt damit den Leuchtphosphor zur Emission sichtbaren Lichts an. Da die Planon kein Quecksilber enthält, das erst verdampfen muss und dafür einige Sekunden braucht, entfaltet sie sofort und ohne zu flackern ihre volle Leuchtkraft – homogen über der gesamten Fläche. In punkto Lebensdauer ist sie unschlagbar: Sie leuchtet bis zu 100 000 Stunden. "Sie eignet sich gut für die Hinterleuchtung von LCD-Industriebildschirmen und großformatigen LCD-Fernsehern", erklärt Dr. Norbert Haas, Leiter Planon-Marketing und -Vertrieb im Osram-Werk in Herbrechtingen (Baden-Württemberg). In der dortigen Pilotproduktionsanlage werden Technologien für die Massenproduktion entwickelt und bereits erste Prototypen der zweiten Planon-Generation hergestellt.
Zur "Planon-Verwandtschaft" gehört auch Linex, die nach dem gleichen Prinzip funktioniert. Die stabförmige Lampe wird mit hochfrequenter, gepulster Gleichspannung betrieben, was die Lampe außergewöhnlich "schaltschnell" macht. Sie liefert innerhalb weniger Millisekunden helles, flackerfreies Licht. Das prädestiniert sie etwa für den Einsatz in Scannern und Kopierern. Zudem kann mit speziellen Leuchtstoffen ihr Spektrum in den UV?A-Bereich verschoben werden. Damit lassen sich Bakterien und andere Keime unschädlich machen – etwa um die Luftqualität im Inneren eines Autos zu verbessern. Die Osram-Forscher haben bereits einen ersten Prototyp für diese Anwendung entwickelt. Die Markteinführung ist Mitte nächsten Jahres geplant. "Nun arbeiten wir daran, die Lichtausbeute beider Lampen weiter zu optimieren, damit sie künftig auch reif für die Allgemeinbeleuchtung werden", erläutert Haas.
"Der PM-Filterkat entfernt rund 80 % der 20 bis 100 nm kleinen Partikel. Damit können wir gerade die gefährlichen lungengängigen Feinstpartikel unschädlich machen. Die Gesamtpartikelmasse reduziert sich um 60 %", erläutert Emitec-Geschäftsführer Wolfgang Maus. Ein weiteres Plus: Der PM-Filterkat ist wartungsfrei und beeinflusst kaum den Treibstoffverbrauch. Ein erster Anwender ist der Nutzfahrzeughersteller MAN, dessen neue Motorengeneration seit 2004 den Filter enthält. Mit weiteren Serieneinsätzen rechnet Emitec noch im Jahr 2005. Auf breiter Front wird diese Technologie auch zur Nachrüstung eingesetzt werden, sind die Emitec-Experten überzeugt. "Um langfristig auch der EU5-Norm gerecht zu werden, muss aber noch ein ganzes Bündel von Maßnahmen umgesetzt werden", sagt Maus. Hierzu gehören: präziser und effektiver arbeitende Motorelektronik sowie Sensor- und Einspritzsysteme. Oder auch die Abgasrückführung: Dabei wird ein Teil der Abgase zurückgeleitet, gekühlt und der Ansaugluft beigemengt. Die Folge: Eine Verringerung der Verbrennungstemperatur und somit auch der NOx-Emission.
Kombination aus Diesel- und Ottomotor. Die Zukunft, glaubt Maus, gehört einem ganz neuen Konzept: Bei der "Homogeneous Charged Combustion Ignition" (HCCI) werden die Eigenschaften von Otto- und Dieselmotor kombiniert. Anders als bei direkteinspritzenden Diesel- oder Ottomotoren, die den Kraftstoff eher ungleichmäßig verteilen und verbrennen, soll bei HCCI der Verbrennungsprozess gleichmäßig über den Zylinder stattfinden. Das Gemisch ist so mager – wenig Kraftstoff, viel kühlende Luft – dass eine Zündkerze nötig ist, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch nach der Kompression zu entflammen. Auf diese Weise läuft auch die Verbrennung homogen ab. Der Vorteil: Es entstehen kaum Partikel und Stickoxide. Dafür nehmen allerdings die Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxid-Emissionen zu. Die jedoch lassen sich mit Hilfe eines Oxidations-Kats reduzieren. Bis ein HCCI-Motor auf den Markt kommen kann, müssen die Ingenieure aber noch einige Entwicklungsarbeit leisten.
Evdoxia Tsakiridou