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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.

Deutsche Umweltstudie zur Gesundheit von Kindern und Jugendlichen 2014–2017 (GerES V) - Teil 2: Qualität der Innenraumluft

Der Bericht stellt Ergebnisse der Deutschen Umweltstudie zur Gesundheit 2014–2017 (GerES V) zur Schadstoffbelastung der Innenraumluft bei Kindern und Jugendlichen vor. Repräsentativ ausgewählte Haushalte wurden auf flüchtige organische Verbindungen (⁠ VOC ⁠), Aldehyde, sowie ultrafeiner Partikel in der Innenraumluft untersucht. Ein Vergleich mit toxikologisch abgeleiteten Innenraumrichtwerten ermöglicht eine gesundheitliche Einordnung der Messwerte. Der Bericht liefert Aussagen zu den vermuteten Ursachen der Schadstoffe sowie Ungleichheiten der Belastung in Abhängigkeit von Geschlecht, Wohnumständen und sozioökonomischen Faktoren. Die Daten dieser Studie stellen einen Referenzdatensatz zur Grundbelastung der Innenraumluft im Wohnumfeld in Deutschland dar. Veröffentlicht in Umwelt & Gesundheit | 01/2025.

Konzeption und Pilotierung einer Gesundheitsstudie zu ultrafeinen Partikeln

Feinstäube in der Außenluft stellen eine gesundheitliche Belastung dar und sind daher im Rahmen der 39. Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes in Form von Grenzwerten reglementiert. Es gibt Grenzwerte für Feinstäube mit einem Durchmesser von 10 und 2,5 Mikrometer, jedoch keine für ultrafeine Partikel (UFP) mit einer Größe kleiner als 0,1 Mikrometer. Aufgrund ihrer geringen Größe können UFP tief bis in die Lungenbläschen und von dort aus in das Herz-Kreislaufsystem gelangen. Im Herz-Kreislaufsystem sowie in anderen Organen können UFP Entzündungsreaktionen hervorrufen. Es wird angenommen, dass durch anhaltende Entzündungen Organschädigungen und chronische Erkrankungen wie zum Beispiel chronische Lungenerkrankungen, Herz-Kreislauferkrankungen oder eine Schwächung des Immunsystems begünstigt werden. Zu diesen gesundheitlichen Wirkungen insbesondere nach langfristiger Exposition gegenüber UFP gibt es derzeit kaum epidemiologische Studien. Dieses Vorhaben soll diesem Mangel begegnen, indem eine epidemiologische Studie konzipiert und pilotiert wird. Hierbei sollen die gesundheitlichen Auswirkungen einer langfristigen Exposition gegenüber UFP untersucht werden unter Berücksichtigung von Confoundern und anderen Luftschadstoffen. Die Pilotierung bezieht sich auf verschiedene UFP-Messungen und Metriken, um deren zeitliche und räumliche Variabilität abdecken zu können, denn Durchschnittswerte, welche in epidemiologischen Studien meist verwendet werden und repräsentativ für eine bestimmte Umgebung und einen Zeitraum sind, können für UFP nicht verwendet werden. Es sollen konkrete Vorschläge für eine umfassende epidemiologische Studie inklusive Expositionsschätzung, UFP Metrik, Fallzahl, möglicher zu untersuchender Gesundheitsendpunkte sowie deren Erfassung gemacht werden. Das Projekt wird von einem Konsortium bearbeitet, welches aus den folgenden Institutionen besteht: Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V., TNO - Netherlands Organisation for Applied Scientific Research, Institut für Arbeits- Sozial- und Umweltmedizin, Heinrich-Heine-Universität, Hochschule Düsseldorf, Labor für Physik und Umweltmesstechnik, IVU Umwelt GmbH, Ing.-Büro Janicke.

Modeling of Nanofibers and Submicron Filtration Phenomena

Air filters in stationary building ventilation systems guarantee the protection of people as well as sensitive technical components from harmful contaminants, from ultra-fine particles to viruses and germs. At the heart of such filter systems are highly efficient filter media with corresponding particle separation performance, which can be achieved in particular by using ultra-fine synthetic, glass or nanofibers. Against the background of rising energy costs and the need for global CO2 reduction, the energy consumption of air filters is increasingly coming into focus. In order to reduce this, modern air filter media are required to have high separation efficiency and the lowest possible pressure drop. Simulation is a valuable tool in the development of filter media for specific applications. By predicting the performance of a filter medium, its microstructure can be optimized to meet specific requirements. However, this requires a correct representation of the effects occurring in this process in order to guarantee the validity of the predicted material properties. In particular, no application-oriented model approaches currently exist for the processes involved in the deposition of ultra-fine particles on ultra-fine fibers. The aim of this project is to improve the simulation models established in virtual filter media development and to extend them with regard to the consideration of submicron fibers (nanofibers). For this purpose, suitable submodels will be developed and integrated into an overall simulation model in order to take into account, in particular, the effects that have been neglected so far. The improved model will first be extensively validated. Finally, its applicability will be demonstrated by the first simulation-driven prediction of an optimized nanofiber-coated air filter medium, which will then be manufactured and tested for its performance.

Ultrafeine Partikel im Innenraum und in der Umgebungsluft

Fein- und Ultrafeinstäube und ihr Bezug zu Atemwegs- und Herz-Kreislauferkrankungen sind wichtiges Thema der öffentlichen Gesundheitsvorsorge. Diese Studie stellt umfangreiche Messdaten für die Innenraumluft im privaten Wohnbereich vor. Die Untersuchungen erfassen Wohnungen in städtischen wie ländlichen Bereichen und geben Aufschluss über jahreszeitliche Schwankungen. Die größenaufgelöste Charakterisierung der Fein- und Ultrafeinstäube ermöglicht eine Abschätzung der durch die Tätigkeiten der Wohnungsnutzenden freigesetzten Partikel. Die Ergebnisse sind von hoher Bedeutung für die Bestimmung der auf den Menschen einwirkenden Belastung an Fein- und Ultrafeinstäuben und mögliche Maßnahmen zur Verbesserung der Innenraumluft.

LuftDatenInfo - Feinstaubemissionen der Partikelgröße PM2.5

Stäube sind feste Teilchen der Außenluft, die nicht sofort zu Boden sinken, sondern eine gewisse Zeit in der Atmosphäre verweilen. Nach ihrer Größe werden Staubpartikel in verschiedene Klassen eingeteilt. Als Feinstaub (PM10) bezeichnet man Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser von weniger als 10 Mikrometer (µm). Von diesen Partikeln besitzt ein Teil einen aerodynamischen Durchmesser, der kleiner ist als 2,5 µm (PM2,5). Hierzu gehört auch die Fraktion der ultrafeinen Partikel (< 0,1µm). Dargestellt wird der Durchschnitt aller Messwerte eines Sensors der letzten 5 Minuten Die dargestellten Messwerte wurden auf hohe und niedrige Ausreißer gefiltert. - Hohe Ausreißer sind alles jenseits des 3. Quartils + 1,5 * des Inter-Quartils-Bereichs (IQB) - Niedrige Ausreißer sind alles unterhalb des 1. Quartils - 1,5 * IQB

Ultrafeine Partikel aus Abgasemissionen aller Verkehrsträger

Ultrafeine Partikel (UFP), hier definiert als Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 100 Nanometer, stellen eine potenzielle Gefährdung für die menschliche Gesundheit dar. Die vorliegende Studie untersucht erstmals, wie hoch der Beitrag der einzelnen Verkehrssektoren zu diesen Emissionen in Deutschland ist, zeigt potenziellen Messbedarf auf und gibt, wo möglich, Empfehlungen zu Minderungsmaßnahmen. Die durchgeführte Analyse dieser Studie stützt sich auf eine systematische Literaturrecherche zu Partikelgrößenverteilungen im Abgas und Daten des Handbuchs für Emissionsfaktoren des Straßenverkehrs (HBEFA) in der Version 4.2 und des Transport ⁠ Emission ⁠ Model (TREMOD). Veröffentlicht in Texte | 134/2025.

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.

Entwicklung eines persönlichen Expositionsmodells für die Feinstaubbelastung

Feine und ultrafeine Partikel stellen auf Grund hoher Industrialisierung und zunehmender Verkehrsdichte ein zunehmendes Problem dar. Zahlreiche Studien konnten negative Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit nachweisen, die bei Belastung mit feinen und ultrafeinen Partikeln verursacht werden können. Diese Studie befasst sich mit der Erfassung der zeit- und aktivitätsbezogenen persönlichen Exposition. Hauptziel ist die Entwicklung eines persönlichen Expositionsmodels, welches in der Lage ist, Belastungen für Fein- und Ultrafeinstaub vorherzusagen.

Messtechnische Erfassung der UFP-Anzahlkonzentrationen im Abgasstrom an der Schornsteinmündung von Kleinfeuerungsanlagen mit unterschiedlichen Brennstoffen

Im Vorhaben soll die Anzahlkonzentration ultrafeiner Partikel aus Kleinfeuerungsanlagen unmittelbar an der Schornsteinmündung gemessen werden. Bei diesen Untersuchungen sollen die verwendeten Brennstoffen variiert werden. Dadurch kann die derzeit wenig untermauerte Datenlage ausgebaut werden und die verbesserten Kenntnisse können insbesondere in die umweltpolitische Bewertung von Holzfeuerungen einfließen. Durch das Projekt soll auch gezeigt werden, inwiefern nachgelagerte Prozesse im Schornstein zu einer Veränderung der Anzahlkonzentration beitragen. In dem Vorhaben soll zunächst eine Literaturstudie zu den typischerweise auftretenden Anzahlkonzentrationen bei besagten Feuerungen und den nachgelagerten chem.-physik. Prozessen durchgeführt werden. Die durchzuführenden Messungen müssen an Anlagen mit realitätsnahem Abgasstrang bzw. Schornstein vorgenommen werden. In einem letzten Schritt soll ein Kommunikationskonzept erarbeitet werden.

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