Schadstoffbelastung durch Flugzeuge

Flugzeuge emittieren beim Starten und Landen ultrafeine Aerosol-Partikel. Manche enthalten auch Schmieröl, wie Messungen von Forschern am Paul-Scherrer-Institut (PSI) im Umfeld des Flughafens Zürich zeigen. Ein Schlüssel zur Lösung sind schwefelarme Treibstoffe.

Meßreihen

PSI-Forscher haben im Umfeld des Flughafens Zürich Messungen zur Luftqualität durchgeführt. In zwei jeweils mehrwöchigen Meßreihen im Winter 2022 und im Sommer 2024 fingen sie gut einen Kilometer in Windrichtung von der meistgenutzten Start- und Landebahn 28 entfernt mit speziellen Vorrichtungen den in der Luft enthaltenen Feinstaub ein.

Und praktisch in Echtzeit, also unmittelbar nach dem Einfangen, analysierten sie ihn mittels Spektrometrie hinsichtlich Partikelgröße und chemischer Zusammensetzung. Das hat gegenüber den bislang üblichen Studien dieser Art, bei denen über den Tag gesammelt und erst dann gemessen wird, den Vorteil, daß sich etwa der Einfluß wechselnder Windrichtungen oder aktueller Anflugregime zeigt. Die Quellen können genauer zugeordnet werden.

Bestätigung früherer Ergebnisse

Die Messungen bestätigen Ergebnisse, wie sie von einigen anderen europäischen Flughäfen wie Amsterdam oder Frankfurt bereits vorliegen: Bei Start und Landung emittieren Flugzeuge aus ihren Triebwerken insbesondere ultrafeine Partikel mit Größen unter 100 Nanometern, in Fachkreisen als ultrafeine Partikel (UFP) bezeichnet.

Dabei handelt es sich um ein Partikelgemisch aus festem Ruß und flüchtigem Sulfat, die bei der Verbrennung des Treibstoffs in der Gasturbine sowie im daraufhin abkühlenden Abgas entstehen. Die Forscher stellten bis zu 300.000 UFP pro Kubikzentimeter Luft fest. Das ist mehr als das Zehnfache des normalen Hintergrundwertes am Flughafen bei Nacht, wenn keine Flugzeuge verkehren.

Vergleich mit städtischer Luft

In Städten liegen typische UFP-Meßwerte bei etwa 5000 bis 40.000 Partikeln pro Kubikzentimeter Luft und damit deutlich unter den beim Flughafen gemessenen Werten. Allerdings enthält städtische Luft einen größeren Anteil der gröberen Feinstaub-Kategorien unter 2,5 und unter 10 Mikrometern.

„Bezogen auf die Partikelmasse ist die Feinstaubbelastung am Flughafen daher geringer als in der Stadt, wo sie vornehmlich aus Straßenverkehr, Heizungen und Industrie stammt“, sagt Studienautorin Sarah Tinorua vom Zentrum für Energie- und Umweltwissenschaften am PSI. „Aber die Anzahl der Partikel am Flughafen ist deutlich größer.“

Dies sei gesundheitlich relevant, da kleinere Partikel beim Einatmen tiefer in die feinen Verästelungen der Lunge eindringen können. Für Anwohner sowie Flughafenmitarbeiter ist diese Unterscheidung daher bedeutsam.

Neuer Fund: Schmieröl an ultrafeinen Partikeln

Das hohe Aufkommen ultrafeiner Partikel am Flughafen hatten die Forscher also mehr oder weniger erwartet. Neu an ihrer Studie ist vor allem, daß erstmals auch Schmieröl nachgewiesen wurde, das an den ultrafeinen Partikeln haftet.

„Zwar hat bereits eine Studie am Frankfurter Flughafen Schmieröl im Feinstaub gefunden“, berichtet Studienleiter Benjamin Brem, ebenfalls vom Zentrum für Energie- und Umweltwissenschaften des PSI. „Dort wurden die Partikel jedoch gesammelt und Tagesmittelwerte bestimmt. Wir dagegen haben das Schmieröl in Echtzeit erfaßt, also unmittelbar nachdem ein Flugzeug vorbeigeflogen war.“

Jedes Mal, wenn ein Flugzeug in rund 80 bis 100 Meter Höhe über die Meßstation hinwegflog, registrierten die Forscher eine starke Zunahme der UFP-Konzentration.

„Das liegt daran, daß die Turbinenabgase hinter den Flügeln durch den Abwind nach unten gedrückt werden – gewissermaßen direkt in den Trichter unserer Fangvorrichtung“, erklärt Brem.

Erst bei Flughöhen über 300 Metern seien solche Spitzen nicht mehr feststellbar, da sich die Partikel je nach Wind rasch in der Luft verteilen und kein Luftaustausch mit dem Boden mehr stattfindet.

Einfluß von Wind und Flugphase

Auch der Wind erwies sich als wichtiger Einflußfaktor: Bei Landungen waren die Spitzen ausgeprägter als bei den Abflügen. Dort traten sie nur dann stark auf, wenn der Wind die UFP-Wolke von der Startbahn zur Meßstation wehte.

Zudem waren die gemessenen Partikelzahlen bei starkem Wind höher, da die Partikel bei schwachem Wind mit der Zeit leichter zusammenklumpen und größere bilden.

Ursachen und mögliche Maßnahmen

Daß Flugzeuge vor allem ultrafeine Partikel ausstoßen, ist auf die im Vergleich zu anderen Motoren recht vollständige Verbrennung des Treibstoffs in den heißen Gasturbinen zurückzuführen.

„Allerdings sind Flugzeug-Triebwerke für den Reisebetrieb in großer Höhe optimiert“, sagt Atmosphärenchemiker Brem.

Das bedeute, daß die Verbrennung am Boden bei Start und Landung weniger vollständig ist und entsprechend mehr Partikel produziert. Offenbar gelangen bei manchen Triebwerken zudem Reste von Schmieröl ins Abgas – eine schwerflüchtige organische Substanz.

Die Meßwerte lassen sich eindeutig auf den Flughafeneinfluß und erhöhte Partikelkonzentrationen zurückführen. „Die möglichen gesundheitlichen Auswirkungen, wenn solche Schmierstoffe tief in die Lunge gelangen, sind noch nicht umfassend erforscht“, sagt Tinorua. „Jedenfalls aber gilt es, solche Emissionen vorsorglich so weit wie möglich zu vermeiden.“

Frühere Messungen direkt an Triebwerken zeigten, daß die Schmieröl-Emissionen nicht bei allen Flugzeugtypen auftreten. Ihr Vorkommen könnte daher von der Bauart der Triebwerke oder deren Wartungszustand abhängen.

Das Bundesamt für Zivilluftfahrt, das die Studie finanziert hat, zeigt großes Interesse an den Ergebnissen. Sie werden bereits in internationalen Arbeitsgruppen diskutiert, um mögliche Maßnahmen für Emissionsminderungen insbesondere beim Schmieröl zu prüfen.

Die Forschung zu ultrafeinem Ruß und sinnvollen Emissionsgrenzwerten hat das Amt bereits seit Jahren vorangetrieben und finanziert. Naheliegend wäre zudem laut Brem etwa die Einführung von schwefelarmem Kerosin.

Denn je höher der Schwefelgehalt eines Treibstoffs ist, desto mehr Feinstaub entsteht – insbesondere flüchtige Schadstoffe gehen zu einem großen Teil auf Schwefelverbindungen zurück. Kerosin gehört zu den wenigen Treibstoffen im Verkehr, für die dafür bislang keine strengen Grenzwerte gelten.

Auch wäre denkbar, Flugzeuge auf dem Rollfeld mit elektrischen Schleppern zum Startplatz zu bringen oder nach der Landung zum Flugsteig. Das würde erhebliche Mengen Kerosin mit unvollständiger Verbrennung einsparen.

Der Flughafen Zürich hat bereits verschiedene Maßnahmen ergriffen, um den Ausstoß von Feinstaub so weit wie möglich zu reduzieren: So ist beispielsweise der Betrieb der flugzeugeigenen Hilfsturbinen zur Stromversorgung nach Abschalten der Triebwerke untersagt. Stattdessen müssen Flugzeuge die am Gate bereitgestellte Stromversorgung des Flughafens nutzen.

Langfristig, so Brem, könnte auch der verstärkte Einsatz von synthetischem Kerosin – sogenanntem nachhaltigem Flugtreibstoff – helfen.

Wie sich dieser Treibstoff effizient und umweltfreundlich herstellen läßt, wird am PSI seit Jahren erforscht. Der Vorteil des nachhaltigen Flugtreibstoffs hinsichtlich des Feinstaubs ist, daß er im Vergleich zu fossilem Kerosin keinen Schwefel und weniger unerwünschte Rußvorläufer-Substanzen enthält. Dadurch verbrennt er sauberer, und es entstehen weniger Ruß und andere Feinstaub-Komponenten.

(pd, rm)

(Bild: Am Rande einer Wohnsiedlung, gut einen Kilometer von der meistgenutzten Start- und Landebahn des Flughafens Zürich entfernt, stellten PSI-Forscher ihre mobile Messstation auf, um den Feinstaub in der Luft zu untersuchen. — © Paul-Scherrer-Institut PSI/Sarah Tinorua)