Wer bremst, staubt!

Oftmals stehen die Verbrennungsmotoren im Vordergrund der Diskussionen um die Umweltschädlichkeit. Dass aber nicht nur die klassischen Motoren mit Schadstoffausstoss zu kämpfen haben, zeigt das Beispiel von Bremspartikeln. Die Reibung von Bremssattel und Bremsscheibe führt dazu, dass Bremsstaub entsteht, und dies nicht nur bei Verbrennern, sondern auch bei Elektrofahrzeugen. Hinzu kommt die Reifenabnutzung, die speziell auch beim Bremsen eine Rolle spielt und Partikel verursacht, die in die Atmosphäre gelangen.

Ein VW Jetta Hybrid dient dem Empa-Motorenhaus als Forschungsfahrzeug: Der ehemalige Flottenwagen soll Bremsstaub erzeugen, entlang dem normierten WLTP-Fahrzyklus. Doch was ist der Hintergrund für das erst seit wenigen Jahren bestehende Interesse an der Bremsstaubmessung?

2016 beschloss die «Particle Measurement Programme Informal Working Group» (kurz PMP IWG), eine Abteilung der UN-Wirtschaftkommission UNECE, dass es an der Zeit war, ein nutzbares Testverfahren für Bremsstaub zu entwickeln, das allgemein nutzbar ist. Eine nicht ganz einfache Aufgabe, wie sich bald zeigen sollte.

Verteilt in alle Richtungen

Denn anders als der Auspuff, der die Emissionen kanalisiert in eine bestimmte Richtung schleudert, sorgen die rotierenden Bremsen dafür, dass sich die Partikel in jegliche Richtungen verteilen. Zunächst gilt es also, die Partikel in eine bestimmte Richtung zu trichtern. Erschwerend hinzu kommt, dass die leichten Partikel nicht entweichen dürfen und die schweren Partikel nicht die Leitung verstopfen dürfen.

Dass sich die Bremse an einer rotierenden Antriebswelle befindet und Kühlung braucht, zwingt die Forschenden dazu, die Anlage noch weiter zu verfeinern. Für all diese Probleme entwickelte die PMP IWG eine einfache Lösung: Es werden nur die Bremsscheiben und Bremsbeläge gestestet. Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler konzipiert den Versuchsaufbau der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) und sucht nach einer anderen Lösung. Auf dem Prüfstand sollen die gesamten Emissionen eines Autos gleichzeitig gemessen werden, was eine grössere Aussagekraft nach sich ziehen soll.

Durch eine Spezialkonstruktion zum Ziel

Ingenieur Daniel Schreiber unterstützt Dimopoulos Eggenschwiler bei der Entwicklung eines Tests, bei welchem die gesamten Emissionen gleichzeitig gemessen werden können. Ein speziell konstruiertes Metallgehäuse, durch welches grosse Mengen Kühlluft geblasen werden, umhüllt eine der Bremsen des VW Jetta Hybrid. Durch den Luftfluss werden zugleich die abgeriebenen Bremspartikel transportiert und neben dem Schweller des Wagens in eine etwa ein Meter lange Röhre gelenkt, von wo aus sie in einen 13-stufigen Kaskadenimpaktor gelangen. Dort werden die Partikel durch ein spezielles Messgerät nach Grösse sortiert. Nach dem Test können die Partikelfraktionen gewogen, chemisch analysiert und, je nach Bedarf, auch im Elektronenmikroskop etwa auf ihre Morphologie untersucht werden.

Vorversuche haben bereits gezeigt, welche Bestandteile die Partikel aufweisen: zu einem Grossteil Eisenoxid von der Bremsscheibe, daneben aber auch Aluminium, Magnesium, Kalzium, Kalium und Titan von den Bremsbelägen. Neben grossen Partikeln sind auch keline Partikel gefunden worden, die durchaus eingeatmet und in die Lunge gelangen könnten.

Weitere Tests sollen folgen

Nach den standardmässigen Tests im WLTP-Zyklus sollen auch Tests folgen, die beispielsweise aufzeigen, ob Hybridautos anders bremsen als herkömmlich angetrieben Autos und dadurch andere Emissionen verursachen. Eine Optimierung der Betriebsphasen kommender Fahrzeuggenerationen und bessere Kontrolle der Bremsstaubemissionen sollen dadurch ermöglicht werden.