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Gesundheitsrisiken beim Recycling von Carbonbeton, TP2: Physikochemische Charakterisierung und toxikologische Evaluation der Aerosolemissionen beim Umgang mit Carbonbeton

Optimierung der Wassereffizienz bei der luftgestützten Waldbrandbekämpfung

Zielsetzung: Deutschlandweit vernichteten Waldbrände im Jahr 2023 eine Fläche von1.240 Hektar Wald (3.058 Hektar in 2022). Das entspricht rund 1.771 Fußballfeldern. Hinzu kommt, dass global gesehen Waldbrände mit 6,5 Gigatonnen die viertgrößte Ausstoßquelle von CO2 Emissionen sind und jährlich weltweit Schäden in Milliardenhöhe verursachen. Gleichzeitig steht nicht ausreichend und oft nicht schnell genug Wasser zum Löschen zur Verfügung. Abhilfe verspricht hier der Systemansatz von CAURUS Technologies. Durch die Kombination von digitaler Sensortechnik mit Löschinnovation auf Basis von Dispersionstechnologie kann die Löscheffizienz von Wasser bis um das Zehnfache erhöht werden. Das System benötigt geringe Investitionskosten und ermöglich eine unmittelbare Verbesserung des Löscherfolges durch erhöhte Präzision und Effizienz des Löschwassereinsatzes sowie verbesserte Sicherheit der Einsatzkräfte. Auf diese Weise kann ein besserer Schutz für Bevölkerung, Umwelt und Wirtschaft erreicht werden. Große Waldbrände bedürfen in der Regel Löschunterstützung aus der Luft, da die Feuerwehr nicht zu allen betroffenen Gebieten vordringen kann oder Brände zu groß und gefährlich für Bodeneinsatzkräfte werden. Die derzeitig zum Einsatz kommenden Technologien wurde hauptsächlich in den 1970er Jahren entwickelt und basieren auf einem Prinzip: dem Abwurf großer Mengen Wasser aus der Luft durch Hubschrauber oder Flugzeuge. Grundproblem ist hier jedoch, dass ein Großteil des eingesetzten Wassers die Flammen nicht erreicht. 50 - 80% des Wassers verwehen oder verdampfen über der Vegetation, z.B. Baumwipfel, und bleiben somit wirkungslos. Die durch die Klimakrise zunehmende Wasserknappheit stellt die Waldbrandbekämpfung daher noch vor weitere Herausforderungen und die Schäden nehmen zu. Der Systemansatz von CAURUS Technologies besteht aus zwei Komponenten: - Eine digitale Plattform zur Optimierung des Wasserabwurfes durch präzisere Zielführung, datenbasierte Auswertung der Löschwirkung und kontinuierliche Entscheidungsunterstützung der Einsatzkräfte - Ein neuartiges Löschverfahren auf Basis von Dispersionstechnologie. Hierbei wird ein neu entwickelter Löschbehälter aus sicherer Höhe über dem Brandherd abgeworfen und innerhalb des Feuers in eine Aerosol Löschwolke mit bis zu zehnfach höherer Löschwirkung verwandelt

Regelmechanismen im Waldoekosystem

Wichtige Oekosysteme Mitteleuropas haben sich - ohne Eingriff des Menschen - in nahezu konstanter Zusammensetzung ueber viele Jahrtausende erhalten, obwohl sich gleichzeitig mehrere Klimaschwankungen ereignet hatten. Es scheint demnach so, als verfuegten diese Oekosysteme ueber recht wirksame Regelmechanismen. Diese koennten einerseits im Naehrstoffkreislauf, andererseits aber auch in den Besonderheiten des Bestandesklimas liegen. Wir bearbeiten die aufgeworfenen Fragen mit Hilfe eingehender Untersuchungen ueber den Umsatz anorganischer und organischer Substanzen des Aerosols und des Tropfwassers der Pflanzen selbst in verschiedenen Wald-Oekosystemen des Nordschwarzwaldes. Hinzu kommen Analysen ueber den Chemismus der Cuticulae wichtiger Holzarten, in Abhaengigkeit vom Lebensalter und vom Klimagebiet, sowie bestandesklimatologische Untersuchungen ueber den Einfluss der Bestandesart auf das Lokalklima.

Nachverfolgung des Lebenszyklus von Eiskeimen zur Verbesserung von Klimaprojektionen

Wolken und Aerosole beeinflussen den Energiehaushalt und den Wasserkreislauf der Erde. Die Wolkenphase – ob eine Wolke aus Wassertröpfchen oder Eispartikeln besteht – beeinflusst den Strahlungseffekt der Wolken, da Wolkentröpfchen zahlreicher und kleiner sind als Eispartikel und daher mehr Sonnenstrahlung reflektieren.Durch die Erwärmung der Erde und der Atmosphäre durch den Klimawandel werden in Mischphasewolken (die aus Wassertröpfchen und Eispartikel bestehen können) Eispartikel teilweise durch Wassertröpfchen ersetzt und die Wolkenalbedo nimmt zu. Das führt zu einer negativen Rückkopplung, der sogenannten Wolkenphasenrückkopplung. Die Stärke dieser Rückkopplung hängt in Klimamodellen von der Repräsentation der Eisnukleation ab. Es wird immer deutlicher, dass die Schwankungsbreite von Klimaprojektionen (+1,8 bis +6,5 K) in der neuen Generation von Klimamodellen stark von der simulierten Wolkenphasenrückkopplung abhängt. Der gesellschaftliche Nutzen einer Verbesserung der Genauigkeit von Klimaprojektionen wird auf über 10 Millionen Millionen US-Dollar geschätzt. Eine bessere Darstellung der Eisbildung im Mischphasenregime in Klimamodellen ist deshalb dringend erforderlich.Aerosole können als Eiskeime, die das Gefrieren von Tröpfchen bewirken, die Häufigkeit von Eiswolken erhöhen und die Wolkenbedeckung und den Wassergehalt verringern. Insbesondere Mineralstaub kontrolliert häufig die Eisbildung in Wolken.In früheren Studien habe ich wichtige Diskrepanzen bezüglich der staubgetriebenen Wolkenvereisung im ECHAM-HAM Klimamodell und Satellitenbeobachtungen identifiziert, die sehr wahrscheinlich auch in anderen Klimamodellen vorhanden sind. Um diese zu beheben, werde ich in ECHAM-HAM Eisprozesse implementieren, die für das staubgetriebene Gefrieren von Wolkentröpfchen relevant sind, aber derzeit noch fehlen: Erstens werde ich eine Nachverfolgung von Eiskeimen implementieren, insbesonders deren Entfernung durch Niederschlagsbildung nach dem Gefrieren von Wolkentröpfchen. Dies sollte die Überschätzung der staubgetriebenen Wolkenvereisung über dem Südpolarmeer im Modell verringern. Zweitens werde ich eine Kategorie für Staub-Eiskeime hinzufügen, die bei Temperaturen unter -35 °C voraktiviert werden. Dies soll zu einem verstärkten Gefrieren von Wolkentröpfchen in Mischphasenwolken führen, was die im Modell gefundene generelle Unterschätzung des staubgetriebenen Gefrierens von Tröpfchen erklären und reduzieren soll. Drittens werde ich das Recycling von Staub-Eiskeimen nach der Sublimation von Eiskristallen implementieren. Dies soll ebenfalls zu einer Verbesserung des Gefrierens von Tröpfchen führen und den im Modell beobachteten Bias zusammen mit den anderen neuen Prozessen beseitigen. Diese neuen Prozesse werden anhand weltraumgestützter Beobachtungen evaluiert und ihre Auswirkungen auf die Wolkenphasenrückkopplung und die Klimasensitivität werden untersucht werden.

Erzeugung ultrafeiner hochtemperaturfester Aerosole durch Kondensation

Ultrafeine Partikel haben in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Diese sogenannten Nanopartikel sind vielfaeltig anwendbar, wie z.B. als Ausgangsmaterialien fuer hochfeste Werkstoffe, in Gassensoren, als Katalysatoren, in Arzneimitteln und in Testaerosolen fuer die Heissgasentstaubung. Es wurde eine Anlage zur Nanopartikelerzeugung durch Laserverdampfung entwickelt. Zur Herstellung wird Aluminiumoxidkeramik, Graphit, Kupfer oder Aluminium mit einem C02-Laser verdampft. Aus der Kondensation entstehen kugelfoermige Primaerpartikel in einem Groessenbereich zwischen 10 und 500 Nanometern. Nach der Erstarrung koennen die Partikel durch Agglomeration unregelmassig geformte Ketten oder Flocken bilden. Deshalb wird das Aerosol so weit verduennt, dass Kollisionen der Partikel unwahrscheinlich werden und damit die Agglomerationswahrscheinlichkeit stark reduziert wird. Das zu verdampfende Material, in Form eines runden Targets, ist unter einen Drehteller montiert, der in Rotation versetzt und gleichzeitig horizontal verschoben wird. Der Laserstrahl wird von unten auf das Target fokussiert und hinterlasst durch die Targetbewegung eine spiralfoermige Bahn auf der Materialoberflaeche. Das Material verdampft lokal im Laserfokus. Der Dampf wird durch radial zustroemendes Argon in einen Sinterkegel unterhalb des Targets transportiert, wo in der heissen Zone die Kondensation und Koagulation stattfindet. In diesem Bereich bleiben die Partikel durch Absorption der Laserstrahlung fluessig, unterhalb der heissen Zone erstarren sie. Durch die Volumenaufweitung des Kegels nach unten und das seitliche Zustroemen von Argon nimmt die Partikelkonzentration von oben nach unten stark ab. Die Partikel werden auf einer Filtermembran abgeschieden und mit einem Rasterelektronenmikroskop auf Groesse, Form und Agglomerationsgrad untersucht. Neben dem Ziel der Nanopartikelerzeugung werden die zugrundeliegenden Prozesse Verdampfung, Kondensation und Koagulation sowohl experimentell als auch theoretisch detailliert untersucht.

Plasmaaktivierte Eispartikel zur Fassadenreinigung und -desinfektion

Messung der horizontalen und vertikalen Verteilung von Luftschadstoffen in Wien

Das übergeordnete Ziel des geplanten Projektes besteht darin, vom Menschen verursachte Luftverschmutzung in Ballungsräumen besser zu verstehen. Die Untersuchung von Stickstoffdioxid (NO2) und Aerosolen wird sich dabei auf spektrale Messungen mit zwei MAX-DOAS (Multi-Axiale Differentielle Optische Absorptionsspektroskopie) Instrumenten an zwei verschiedenen Standorten in Wien stützen. Die MAX-DOAS Methode wird zur Messung von Streulicht in verschiedenen Blickrichtungen verwendet, aus denen die horizontale und vertikale Verteilung von Spurengasen und Aerosolen in der Troposphäre abgeleitet werden kann. Die Datenauswertung wird sich auf eine schnelle geometrische Annäherung sowie die exaktere Methode der Optimal Estimation stützen und troposphärische Säulen und Vertikalprofile von NO2 und Aerosolen ergeben. Die Vertikalprofile liefern eine wichtige Datengrundlage, die für den Vergleich mit bestehenden in-situ Messungen verwendet werden kann. Die aus den MAX-DOAS Messungen abgeleiteten troposphärischen Vertikalsäulen ermöglichen zusammen mit meteorologischen Messungen (z.B. Windgeschwindigkeit, Windrichtung) die Überwachung von Luftschadstoffen über städtischem Hintergrund, stark befahrenen Straßen, und industriellen Punktquellen auf horizontaler Ebene. Die geplanten Langzeitmessungen (über zwei Jahre) liefern einen wertvollen Datensatz für die Analyse der zeitlichen Variabilität von Luftschadstoffen (NO2 und Aerosole) über Wien. Ein Vergleich der in Wien erhobenen Daten mit vergleichbaren MAX-DOAS Messungen in Athen, Griechenland, oder Bremen, Deutschland, wird Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen den verschmutzten Standorten mit andersartigen meteorologischen und photochemischen Bedingungen aufzeigen. Die troposphärischen NO2-Säulen ermöglichen die Validierung von Satellitenmessungen der OMI, GOME-2, und TROPOMI Instrumente sowie den Vergleich mit Modellsimulationen (z.B. aus dem COPERNICUS Atmosphärenbeobachtungsdienst). Da sich bei den beiden Messgeräten Blickfelder einzelner azimutaler Richtungen teilweise überschneiden und die ergänzenden Messungen von in-situ Instrumenten eine Vielzahl an Information zur räumlichen Ausbreitung von NO2 bieten, soll versucht werden, ein räumlich aufgelöstes Bild der Luftverschmutzung über Wien mit Hilfe der tomographischen Darstellung zu entwickeln. Die Ergebnisse des Projektes werden wichtige Erkenntnisse zur horizontalen und vertikalen Ausbreitung von NO2 und Aerosolen liefern. Neben der Verbesserung der troposphärischen NO2 Auswertung werden die Ergebnisse wichtige Daten für Atmosphärenmodelle bereitstellen, da die Vertikalprofile von NO2 und Aerosolen eine nützliche Ergänzung zu den Punktmessungen von in-situ Messgeräten darstellen.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1294: Bereich Infrastruktur - Atmospheric and Earth system research with the 'High Altitude and Long Range Research Aircraft' (HALO), Entwicklungen zur physikalischen und chemischen Charakterisierung eisnukleierender Aerosolpartikel mit HALO: Hochvolumenstrom-Sammler, automatisiertes 'Freezing Array' und analytische Methoden

Das hier vorgeschlagene Projekt basiert auf und ergänzt Untersuchungen die im Rahmen des DFG-Transregios 172 'Arktische Klimaveränderungen', und hier speziell dem Projekt B04 'Ship-based physical and chemical characteristics and sources of Arctic ice nucleating particles and cloud condensation nuclei', durchgeführt werden. Im Rahmen von TR 172, B04, ist es u.a. das Ziel, über schiffbasierte Messungen detaillierte Informationen hinsichtlich arktischer eisnukleierender Partikel (Anzahlkonzentration; chemische Natur, mineralisch und/oder organisch; Herkunft, lokal oder Ferntransport) zu erlangen. Diese schiffsbasierten Messungen können allerdings nur ein erster Schritt auf dem Weg zu einem besseren Verständnis von Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen in der Arktis im allgemeinen, und der Vereisung Arktischer Wolken im Besonderen, sein. Hierzu sind u.a. Informationen aus unterschiedlichen Höhen (innerhalb der planetaren Grenzschicht und in der freien Troposphäre) erforderlich. Daher sollen die in TR 172, B04, geplanten Aktivitäten u.a. durch INP-bezogene Messungen an Bord des Forschungsflugzeuges HALO ergänzt werden. Spezifisch zielen wir auf die Bestimmung von INP-Anzahlkonzentrationen, und über Analyse der chemischen Partikelzusammensetzung auf Hinweise bzgl. der INP Herkunft / Quellen. Im Rahmen des vorliegenden Antrages werden wir uns daher auf die Entwicklung, den Test und die Zulassung eines Hochvolumenstrom-Aerosolpartikelsammlers für sub- und supermikrone Aerosolpartikel für das Forschungsflugzeug HALO konzentrieren. Das Sammlersystem wird im Wesentlichen aus einer adaptierten Version des schon existierenden (aber noch zuzulassenden) 'Micrometre Aerosol Inlet' (MAI) und einem noch zu entwickelnden Hochvolumenstrom-Filtersammler, bestehen. Die Berücksichtigung hoher Volumenströmen (Größenordnung 100 l/min) ist aufgrund der zu erwartenden niedrigen Aerosolpartikel- und INP-Konzentrationen, und dem daraus resultierenden Bedarf nach der Sammlung großer Luftvolumina erforderlich. Der erste wissenschaftliche Einsatz des entwickelten Systems soll im Rahmen der ARCTIC-HALO-Kampagne erfolgen, welche für die zweite Phase des TR 172 (2020-2023) geplant ist. Nach seiner Entwicklung, steht das Sammlersystem (Einlass und/oder Filtersammler) für sub- und supermikrone Aerosolpartikel für weitere HALO-Missionen zur Verfügung. Zur Durchführung der notwendigen Arbeiten beantragen wir Mittel für eine 75 % und eine 50% PostDoc-Stelle für jeweils 3 Jahre. Ferner beantragen wir Mittel für die Adaptierung und die Zulassung des Hochvolumenstrom-Aerosolpartikelsammlers. Alle anderen direkten Kosten werden aus dem Haushalt des TROPOS übernommen.

Nullpegel- und Ueberwachungsmessungen in der Umgebung der Kernkraftwerke Biblis, Ludwigshafen, Philippsburg und Muelheim-Kaerlich

Vor Inbetriebnahme mindestens 2 Jahre Nullpegelmessungen, nach Inbetriebnahme Fortfuehrung der Messungen zur Umgebungsueberwachung: Ueberpruefung der Einhaltung der Genehmigungsauflagen, langfristige Aussagen ueber die Radiooekologie, Bereitstellung von Messstellen und Messorganisationen fuer Stoerfaelle. Bestimmung der Umgebungsradioaktivitaet durch Luft- und Aerosol-Messungen.

Phosphor Speziation in Mineral Staub und Marineaerosol Partikeln

Makronährstoffe, wie Phosphor, sind wichtig für das Wachstum von Meeresmikroorganismen, wie Phytoplankton. Diese sind sehr bedeutsam für die marine Nährstoffkette und Biologie. Verschiedene Phytoplanktonarten emittieren klimarelvante organische Verbindungen, z.B. DMS, welches in der Atmosphäre zu Schwefelsäure oxidiert wird und anschließend zur Bildung neuer Aerosolpartikel beiträgt. Diese können weiterhin als potentielle Wolkenkondensaktionskeime dienen. Informationen über die Verfügbarkeit von Phosphor für diese Mikroorganismen sind somit essentiell für ein besseres Verständnis der Ozean-Atmosphären-Wechselwirkung. Der Haupteintrag von Phosphor in den offenen Ozean erfolgt vorwiegend über atmosphärische Deposition. Informationen über atmosphärische Phosphorkonzentrationen, die Bioverfügbarkeit und Quellen sind notwendig, um den Verbleib in den Ozeanen zu verstehen. Dabei werden vor allem in den Regionen des tropischen Nord- und Südost-Atlantik immer noch Daten benötigt. Die wenigen verfügbaren Daten basieren zumeist auf kurzzeitigen Schiffsmessungen, die in ihrer Anwendung auf langfristige Prognosen und jahreszeitlichen Zyklen sehr begrenzt sind. Um das Verständnis über die Phosphorverfügbarkeit, -quellen, und -bioverfügbarkeit in diesen ozeanischen Gebieten zu verbessern, sollen größenaufgelöste Langzeitmessungen zur Bestimmung des Phosphorgehalts von Aerosolpartikeln durchgeführt werden. Weiterhin werden analytische Methoden entwickelt und optimiert (basierend auf der Kombination von drei Techniken). Diese sollen eine empfindliche Bestimmung von löslichem als auch dem Gesamtphosphor in feinen Partikeln ermöglichen, aufgrund der geringen Aerosolmasse in dieser Größenfraktion. Die ermittelten Daten werden benutzt, um wichtige Quellen des Phosphors in diesen Regionen zu charakterisieren, die Rolle von unterschiedlichen Quellen wie Mineralstaub, Biomassenverbrennung, sowie anthropogenen Verbrennungsaerosols auf die Speziation (organische und anorganische Zusammensetzung), Löslichkeit und atmosphärische Prozessierung des Phosphors, sowie ihre saisonale Variabilität zu untersuchen. Darüber hinaus soll eine regionale Staubmodellsimulation angewendet werden, um den Aerosoltransport und die Staupdeposition in diesen Regionen besser zu beschreiben. Die Ergebnisse sind wichtig für kombinierte Modelle zur Ozean-Atmosphäre Wechselwirkung und das Verständnis der wichtigsten Faktoren, die den Verbleib von atmosphärischem Phosphor im Ozean beeinflussen.

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