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Ressortforschungsplan 2023, Analytik von Bodenproben auf Mikroplastik für die Erarbeitung von Hintergrundgehalten für Deutschland

Im Refoplanvorhaben FKZ: 3720 72 288 0 wurden von 2020 bis 2024 Bodenproben von 600 nach statistischen Vorgaben ermittelten Standorten in Deutschland genommen und eingelagert. Die eingelagerten Bodenproben werden im vorliegenden Projekt aufbereitet, extrahiert und analysiert. Es werde sowohl Partikelanzahlen als auch Massenanteile der Kunststoffe erfasst. Die Ergebnisse sollen dazu verwendet werden, das Ausmaß der Kunststoffgehalte in Böden mit nichtspezifischer Belastung darzustellen und die Hintergrundbelastung zu beschreiben.

Bestimmung von Kenngroessen polydisperser Aerosolsysteme geom. Groesse; stoffliche Zusammensetzung; Dichte

Informationen ueber das Schicksal luftgetragener Aerosolpartikel lassen sich aus dem Studium von Elementdiskriminierungsprozessen bezueglich der Partikelgroesse gewinnen. Hierzu werden die Partikel der bodennahen Luft mit Hilfe von Kaskadenimpaktor bzw. Spektralimpaktor auf Praeparattraegern einer Elektronenstrahlmikrosonde nach ihrer aerodynamischen Groesse abgeschieden. Aus rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen werden bildanalytisch Groesse und Form der abgeschiedenen Partikel ermittelt. Die Messung der charakteristischen Roentgenstrahlung des Substratmaterials, die unterhalb der Partikel von das Teilchen durchdringende Elektronen erzeugt werden, erlaubt eine Abschaetzung der Partikeldichte. Andererseits kann aus der im Partikel erzeugten charakteristischen Roentgenstrahlung seine stoffliche Zusammensetzung bestimmt werden.

Integriertes und an Raum-Zeit-Messungsskalen angepasstes Global Random Walk - Modell für reaktiven Transport im Grundwasser

Zur Lösung von Fluss- und reaktiven Transportgleichungen in heterogenen Grundwassersystemen werden neue Global Random Walk (GRW) Algorithmen entwickelt und implementiert, die stabil und frei von numerischer Diffusion sind. Um das Auftreten von Interpolationsfehlern zu vermeiden, wird ein integriertes GRW-Lösungsverfahren entwickelt, das Geschwindigkeiten und Konzentrationen auf dem selben regulären Gitter berechnet. Wir nutzen grobkörnige (engl. Coarse grained) (CG) Mittelwerte in Raum und Zeit über die Trajektorien der berechneten Partikel, die die Konzentrationen der reaktiven chemischen Spezies in den GRWSimulationen beschreiben. Diese werden genutzt, um eine kontinuierliche Beschreibung der Transportprozesse zu erhalten. Nachdem die Mittelungsprozedur die Variation der simulierten Konzentrationen reduziert, genügt eine relativ kleine Anzahl von Monte Carlo - Simulationen, um die statistischen Kennzahlen zu gewinnen, und gleichzeitig der Auswirkung der Raum-Zeit-Skalen der hydrologischen Beobachtungen Rechnung zu tragen. Des weiteren können lokale Bilanzgleichungen für die CG Raum-Zeit-Mittel genutzt werden, um die hochskalierten Diffusionskoeffizienten und Reaktionsterme zu berechnen.

Charakterisierung von Umweltschadstoffen mit Hilfe oberflaechenanalytischer Methoden

Die Charakterisierung der Schadstoffkomponenten auf Luftaerosolen und Filterstaubproben aus Muellverbrennungsanlagen laesst Rueckschluesse auf die Prozesse bei der Entstehung, Ausbreitung und Filterung zu. Mit Hilfe oberflaechenanalytischer Methoden, insbesondere XPS und AES, werden Zusammensetzung und chemische Form von Schadstoffen bestimmt. Geplant sind ferner Untersuchungen zur katalytischen Schadstoffumwandlung an Modellaerosolen unter besonderer Beruecksichtigung der Schwermetallspezies und Untersuchungen zur Konzentrationsverteilung ueber den Teilchenquerschnitt, die Eignung oxidischer Substanzen in Aerosolen als Gassensoren soll geprueft werden. Aus bisherigen Arbeiten im Rahmen des POETA-Programms zeigt sich die besondere Bedeutung des Nachweises von Schwefelspezies sowie die Notwendigkeit grundlegender Untersuchungen zum Probenverhalten unter dem Einfluss von Roentgen- oder Elektronenbestrahlung.

Kosteneffiziente Prozesse für hocheffiziente III-V/Si Tandem-Solarmodule mit mindestens 30 % Wirkungsgrad, Teilvorhaben: Entwicklung eines innovativen Klebstoffs für die Verschaltung von III-V/SI Tandem Zellen auf Basis von Kapillarsuspensionen

Das in der Gruppe von Prof. Willenbacher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entdeckte Phänomen der Kapillarsuspensionen wird genutzt, um elektrisch leitfähige Klebstoffe (ECA) basierend auf Silberpartikeln und Polymerharzen, mit hoher elektrischer Leitfähigkeit bei geringem Silbergehalt zu entwickeln. Der Silbergehalt soll mindestens auf die Hälfte der in kommerziell verfügbaren Klebstoffen typischen Konzentration reduziert werden ( kleiner als 40 Gew.%). Die Arbeiten am KIT umfassen die Entwicklung geeigneter ECA-Zusammensetzungen auf der Basis kommerziell verfügbarer Rohstoffe sowie das Design von Scale-up-fähigen Herstellungsprozessen. Zur Erzielung einer hohen Leitfähigkeit bei niedriger Partikelkonzentration soll die Bildung eines perkolierenden Silbernetzwerks durch die Zugabe einer kleinen Menge einer zweiten, nicht mit der Polymermatrix mischbaren Flüssigkeit induziert werden. Vorarbeiten mit Silber/Elastomer-Kompositen haben gezeigt, dass so die Perkolationsschwelle drastisch reduziert werden kann. Für die Polymermaterialien müssen jeweils geeignete Zweitflüssigkeiten gefunden werden. Darüber hinaus soll evaluiert werden, ob der Verbrauch der knappen Ressource Silber durch die Einarbeitung geeigneter Kupfer-, Nickel- oder Graphitpartikel reduziert werden kann. Die Klebstoff-Pasten werden rheologisch charakterisiert, um einerseits das Applikationsverhalten gezielt einzustellen, andererseits, um die Strukturbildung beurteilen zu können. Messungen der elektrischen Leitfähigkeit der Pasten und der ausgehärteten Klebstoffe sind die Hauptkriterien für die gezielte Einstellung der Pasten-Zusammensetzung. Die Klebstoffe werden so konzipiert, dass sie sich nahtlos in etablierte Klebstoffauftrags- und Zellverbindungsprozesse integrieren lassen. Der Klebstoff muss so gestaltet sein, dass die für Solarmodule erforderliche Langzeit- und Witterungsbeständigkeit gewährleistet ist.

RSD-Abgasmessung

Wieviel Schadstoffe kommen wirklich aus dem Auspuff? Welche Fahrzeuge tragen besonders zu den Schadstoffbelastungen an Straßen bei? Lassen sich mit Modellen, die in der Luftreinhaltung verwendet werden, die Kfz-Emissionen realistisch berechnen? Um diese Fragen besser beantworten zu können, wurden in Berlin erstmals Schadstoffmessungen direkt in der Abgasfahne von Fahrzeugen im Straßenverkehr mit dem Verfahren „Remote Sensing Detection (RSD)“ durchgeführt. Der wissenschaftliche Bericht zu der RSD-Abgasmessung steht hier zum Download bereit: Die umfangreichen Daten zu dem Bericht können auf Anfrage zur Verfügung gestellt werden. Bitte wenden Sie sich an Annette.Rauterberg-Wulff@senmvku.berlin.de . Die Abgasmessungen mit kombinierter Kennzeichenerfassung fanden im Zeitraum vom 21. Oktober bis zum 8. November 2019 im Auftrag der Senatsverwaltung für Umwelt, Verkehr und Klimaschutz statt. Gemessen wurde an der Sonnenallee (Neukölln) stadteinwärts zwischen Mareschstraße und Thiemannstraße sowie Am Seegraben (Alt-Glienicke) stadtauswärts am Abzweig zur A 117. Um den Schadstoffausstoß der Fahrzeuge zu messen, wurde quer über die Straße eine Lichtschranke aus infrarotem und ultraviolettem Licht installiert und die Schwächung des Lichtstrahls durch die Schadstoffe gemessen. Diese Lichtabsorption ist umso größer, je mehr Schadstoffe in der Abgasfahne sind. Es handelt sich damit um eine berührungslose Fern-Messung (englisch auch als Remote Sensing Detection oder RSD bezeichnet) ohne störende Eingriffe am Fahrzeug oder in die Fahrweise. Neben der Konzentration von Stickstoffoxiden im Abgas wird auch der Ausstoß von Kohlendioxid, Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Partikeln sowie die Geschwindigkeit und Beschleunigung der Fahrzeuge gemessen. Damit kann der Schadstoffausstoß in Abhängigkeit vom momentanen Kraftstoffverbrauch und der Fahrweise für die verschiedenen Fahrzeuggruppen ausgewertet werden. Wichtig für die Auswertungen sind zudem Daten zum Fahrzeug, d. h. zur Art des Fahrzeugs (Pkw, Nutzfahrzeuge, Busse), zur Antriebsart (Otto-, Dieselmotor, weitere Antriebe), zu seinem Gewicht und zur Abgasnorm, z.B. für einen Vergleich mit Emissionsgrenzwerten. Die Fahrzeugdaten wurden anhand der erfassten Kennzeichen ermittelt. Die Untersuchung ist Teil eines Projektes zur Erarbeitung eines Informationssystems zur aktuellen Luftqualität an Straßen (AkLuSt Berlin). Dieses Projekt wird aus dem “Sofortprogramm Saubere Luft 2017-2020” des Bundes mit einer Fördersumme von insgesamt 155.295 Euro gefördert. Gefördert durch das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages. Die Durchführung dieser Untersuchung erfolgte im Rahmen der Förder­richtlinie “Digitalisierung kommunaler Verkehrs­systeme”.

Meteorological Observation and Assimilation of the Atmosphere on Long term (Dead Sea, Israel)

Since 2006, the Institute for Meteorology and Climate Research (IMK-TRO) is involved in intensive field measurements at the Dead Sea. Long term measurements of meteorological parameters, particle concentrations and ozone mixing ratios were initiated - accompanied by short term activities like vertical profiling and determination of radiation and the surface energy balance. Objective and Results: The objective is to study the mesoscale wind systems and their role in the distribution of pollutants near the Dead Sea. Preliminary data evaluation shows that a complexe superposition of various wind systems is abundant. The existence of the widespread lake plays a mayor role in the development of atmospheric layering during the course of the day. However, synoptic influence can disturb the regional system. Since September 2006 an permanent meteorological station is working at Massada National Monument approx. at elevation sea level. Measurements of the actual week are shown here . The whole data set is available on request.

Vorhersage urbaner atmosphärischer Anzahlkonzentrationen ultrafeiner Partikel mit Hilfe von Machine Learning- und Deep Learning-Algorithmen (ULTRAMADE)

Ultrafeine Partikel (UFP) mit einem aerodynamischen Durchmesser kleiner als 100 nm stehen unter dem Verdacht die menschliche Gesundheit zu schädigen, allerdings fehlt bisher die abschließende wissenschaftliche Evidenz aus epidemiologischen Studien. Zur Herleitung von Expositionskonzentrationen gegenüber UFP wurden zum Teil statistische Modellierungsverfahren genutzt um UFP-Anzahlkonzentrationen vorherzusagen. Ein häufig genutztes Verfahren ist eine auf Flächennutzung basierte lineare Regression („land-use regression“, LUR). Allerdings wurden in luftqualitativen Studien auch andere, ausgefeiltere Modellansätze benutzt, z.B. „machine learning“ (ML) oder „deep learning“ (DL), die eine bessere Vorhersagegenauigkeit versprechen. Das Ziel des Projekts ist die Modellierung von UFP-Anzahlkonzentration in urbanen Räumen basierend auf ML- und DL-Algorithmen. Diese Algorithmen versprechen eine bessere Vorhersagegenauigkeit gegenüber linearen Modellansätzen. Mit unserem Modellansatz wollen wir sowohl räumliche als auch zeitliche Variabilität der UFP-Anzahlkonzentrationen abbilden. In einem ersten Schritt werden die Messergebnisse aus mobilen Messkampagnen genutzt um ein ML-basiertes LUR Modell zu kalibrieren. Zusätzlich werden urbane Emissionen aus lokalen Quellen, abseits vom Straßenverkehr, identifiziert und explizit in das Modell einbezogen. In einem zweiten Schritt wird ein DL-Modellansatz basierend auf Langzeit-UFP-Messungen mit dem ML-Modell gekoppelt um die Repräsentierung der zeitlichen Variabilität zu verbessern. Unser vorgeschlagenes Arbeitsprogramm besteht aus fünf Arbeitspaketen (WP): WP 1 beinhaltet mobile Messungen mittels eines mobilen Labors und eines Messfahrads. WP 2 besteht aus stationären Messungen, die an Stationen des German Ultrafine Aerosol Network durchgeführt werden. In WP 3 werden wichtige UFP-Emissionsquellen, insbesondere Nicht-Verkehrsemissionen, mit Hilfe von zusätzlichen kurzzeitigen stationären Messungen identifiziert und quantifiziert. In WP 4 werden ML-Algorithmen genutzt um ein statistisches Modell aufzubauen. Als Kalibrierungsdatensatz werden die Messungen aus WP 1 benutzt. Das Modell wird UFP-Anzahlkonzentrationen mit Hilfe eines Datensatzes aus erklärenden Variablen, u.a. meteorologische Größen, Flächennutzung, urbaner Morphologie, Verkehrsmengen und zusätzlichen Informationen zu UFP-Quellen nach WP 3, vorhersagen. In WP 5 werden die UFP-Anzahlkonzentrationen aus WP 2 für einen DL-Modellansatz genutzt, der die zeitliche Variabilität repräsentieren wird. Dieser wird dann mit dem ML-Modell aus WP 4 gekoppelt. Der Nutzen der Modellkopplung wird mit dem Datensatz aus WP 3 validiert. Aus unserem Projekt wird ein Modell hervorgehen, das in der Lage ist die räumliche und zeitliche Variabilität urbaner UFP-Anzahlkonzentrationen in einer hohen Genauigkeit zu repräsentieren. Damit wird unsere Studie einen Beitrag zur Quantifizierung von Expositionskonzentrationen gegenüber UFP z.B. in epidemiologischen Studien leisten.

Untersuchungen zu raum-zeitlichen Einflussparametern der Filterung städtischer Aerosole durch Stadtbäume

Die bisherigen Kenntnisse physikalischer, chemischer, klimatologischer und topogra-phischer Parameter bei der Staubdeposition an Stadtbäumen sollen vertieft werden. Dazu werden Meßverfahren getestet und weiterentwickelt, um die Staubauflage auf Blattoberflächen qualitativ und quantitativ erfassen zu können. Anschließend soll systematisch die räumliche Verteilung des Staubs in der Krone eines Straßenbaums an einem stark verkehrsbelasteten Standort in Karlsruhe, abhängig von jahreszeitli-chen, klimatologischen und verkehrstechnischen Einflüssen, bestimmt werden. Steu-ernde klimatische Parameter, wie Strahlungsbilanz, Luft- und Oberflächentemperatu-ren, Luft- und Oberflächenfeuchte, sowie die Bewegungsvektoren der Luft sind kontinuierlich sowie diskontinuierlich in Transekten mit hoher räumlicher Auflösung durch die Krone zu untersuchen. Die Gradienten sollen bis zu den Blattoberflächen in Zentimeterschritten unter kombiniertem Einsatz von Ultraschall und Thermoane-mometrie bestimmt werden. Parallel dazu ist der Staubgehalt der Luft und der auf den Blattoberflächen zu ermitteln, um die raum-zeitliche Struktur der Staubauflage sowie möglicherweise eine qualitative Differenzierung in der Krone erfassen zu können. Ein- und Austräge des Staubes sollen wahrend der Vegetationsperiode für einzelne Segmente des beprobten Baumes bilanziert werden. Dies ist die Vor-aussetzung, um stichprobenhaft Abschätzungen der gesamten Partikeln- und -austräge zuverlässig vornehmen zu können. Erst so läßt sich eine Stoffflussanalyse von der Atmosphäre bis an die Pflanzenoberfläche durchfuhren. Auf dieser Grundlage können mit Hilfe weiterführender Analysen unterschiedliche Baumarten, Vegetations- und Stadtstrukturen in die Stauberfassung einbezogen werden.

Was bestimmt die Konzentration von Aerosolpartikeln in der marinen Grenzschicht über dem atlantischen Ozean?

Aerosolpartikel spielen eine wichtige Rolle für das regionale und globale Klima. Weltweit gibt es deshalb zahlreiche Messstationen, von denen allerdings nur ein kleiner Teil die marine Grenzschicht (MBL) erfasst, obwohl etwa 70% der Erdoberfläche mit Wasser bedeckt sind. Dieses Projekt soll dazu beitragen, das Wissen über Quellen und Austauschprozesse von Aerosolpartikeln in der MBL mithilfe einer Messkampagne über den Azoren im Nordostatlantik, welche nahezu unbeeinflusst von lokalen Quellen sind, zu verbessern.Die zentrale Hypothese ist, dass sowohl Ferntransport aus Nordamerika, als auch Partikelneubildung in der freien Troposphäre (FT) und an Wolkenrändern mit anschließendem Vertikaltransport wesentlich zur Anzahlkonzentration der Aerosolpartikel in der MBL beitragen. Das Verständnis der Partikelquellen und Senken zusammen mit dem vertikalen Partikelaustausch zwischen MBL und FT ist daher eine Grundvoraussetzung für die Vorhersagbarkeit der Partikelanzahlkonzentration in den unteren Schichten der MBL wo sie z.B. für die Wolkenbildung von großer Bedeutung ist. Diese Prozesse sind bisher über dem offenen Ozean nur unzureichend quantifiziert. Zur Verifizierung der Hypothese sollen vertikale Austauschprozesse und Partikelquellen über den Azoren mit hoher räumlicher Auflösung untersucht werden. Dazu werden mit einer am TROPOS entwickelten hubschraubergetragenen Messplattform Partikelanzahlkonzentration und Vertikalwind mit einer zeitlichen Auflösung gemessen, die erstmalig eine direkte Bestimmung des vertikalen turbulenten Partikelflusses in verschiedenen Höhen ermöglicht. Die hierfür notwendigen schnellen Partikelmessungen von mind. 10 Hz werden durch den Einsatz eines schnellen Partikelzählers ermöglicht, welcher am TROPOS im Rahmen eines abgeschlossenen DFG-Projektes entwickelt und erfolgreich eingesetzt wurde. Durch dieses Gerät ist es ebenfalls möglich zu prüfen, ob auch in dieser Region regelmäßig die Neubildung von Aerosolpartikeln an Wolkenrändern stattfindet, wie es an Passatwolken auf Skalen von wenigen Dekametern beobachtet wurde. Weiterhin werden Anzahlgrößenverteilungen von Aerosolpartikeln sowie Absorptionskoeffizienten bei drei Wellenlängen bestimmt. Damit sind Rückschlüsse auf die Herkunft der untersuchten Aerosolpartikel möglich.Da die Hubschrauberflüge zeitlich begrenzt sind und damit nur Momentaufnahmen darstellen, werden zusätzlich kontinuierliche Messungen der Partikelanzahlgrößenverteilung an zwei bodengebundenen Stationen installiert. Eine dieser Stationen ist wenige Meter über Meeresniveau gelegen, die andere auf 2200 m und somit in der FT. Damit wird auf der Basis kontinuierlicher Messungen über einen Zeitraum von einem Monat die Untersuchung der Austauschprozesse zwischen MBL und FT ermöglicht. Mit Hilfe der gewonnen Datensätze können Einflüsse globaler Klimaänderungen auf das lokale Klima und mögliche Rückkopplungseffekte über den Einfluss von Aerosol auf Wolken in dieser Region besser eingeordnet werden.

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