Standardisierung von Messgrössen für Russpartikel zur Modellierung der Luftqualität und des Klimas, Hochschule für Technik und Umwelt FHNW

Black Carbon (BC) – die feinen, russartigen Partikel, die bei der Verbrennung von Diesel, Holz und Biomasse entstehen – ist einer der wirksamsten kurzlebigen Klimaschadstoffe. Nach CO₂ gilt BC als zweitgrösster Verursacher der globalen Erwärmung. Zudem stellt BC ein ernstes Risiko für die menschliche Gesundheit dar, da die Partikel tief in die Lunge und den Blutkreislauf eindringen können. Und doch bleibt die zuverlässige Messung von Russpartikeln trotz seiner Bedeutung eine grosse Herausforderung.

Genau dieses Problem wollte das europäische STANBC-Projekt angehen – und nach dreijähri-ger Zusammenarbeit führender europäischer Metrologieinstitute geht das Projekt nun mit einer Reihe konkreter wissenschaftlicher und regulatorischer Erfolge zu Ende.

Warum ist die Messung von Russpartikeln so schwierig?

Luftqualitätsmessnetze in ganz Europa messen die Russpartikelkonzentrationen in Echtzeit mit Geräten, die als filterbasierte Lichtabsorptionsphotometer bezeichnet werden. Diese sind praktisch und weit verbreitet – aber sie sind bekanntermassen ungenau. Je nach Zusammensetzung des Aerosols können die Messfehler bis zu 400% betragen. Das bedeutet, dass Daten von verschiedenen Messstationen oft nicht direkt vergleichbar sind, was es sehr schwierig macht, verlässliche Schlussfolgerungen über langfristige Trends zu ziehen oder Umweltvorschriften durchzusetzen.

Die Ursache des Problems liegt darin, dass es weder einen vereinbarten Standard für die Kalibrierung dieser Geräte gibt, noch eine einheitliche Definition dafür, was „Russ“ im Messkontext eigentlich bedeutet. Tatsächlich beschreibt der Begriff „Russ“ eine Familie verwandter Grössen – äquivalenter schwarzer Kohlenstoff (eBC), refraktärer schwarzer Kohlenstoff (rBC) und elementarer Kohlenstoff (EC) –, die jeweils mit unterschiedlichen Techniken bestimmt werden und zu unterschiedlichen Konzentrationswerten führen.

Der Beitrag der FHNW: Messgeräte, die eine Brücke zwischen Labor und Atmosphäre schlagen

Das ISE leistete mit zwei eigens entwickelten Systemen einen zentralen Beitrag zu den STANBC-Messkampagnen.

1. Die Organic Coating Unit (OCU)

Russpartikel in der realen Atmosphäre bleiben nicht lange „frisch“. Während sie durch die Luft wandern, werden sie mit sekundärem organischem Material beschichtet – ein Prozess, der als Aerosolalterung bezeichnet wird –, was ihre optischen Eigenschaften verändert und die Messungen der Instrumente erheblich beeinflussen kann.

Um dies im Labor zu simulieren, brachte das ISE-Team seine „Organic Coating Unit“ (OCU) mit – ein Gerät, das im Labor erzeugte Russpartikel mit einer kontrollierten Schicht aus organischem Material beschichtet und so den Alterungsprozess auf reproduzierbare Weise nachbildet. Für STANBC wurde die OCU weiterentwickelt und den Partnerinstituten für ihre Kalibrierungskampagnen zur Verfügung gestellt.

Indem die Partner die in Frage kommenden Messsysteme einer breiten Palette von Aerosoltypen aussetzten – von frisch erzeugten Russpartikeln bis hin zu stark gealterten Partikeln –, konnten sie gründlich prüfen, wie gut die Geräte unter Bedingungen funktionieren, die für die reale Luftqualitätsüberwachung repräsentativ sind. Dies war für die Ermittlung zuverlässiger Kalibrierungsfaktoren unerlässlich.

2. FATCAT: Ein Einblick in die Aerosolzusammensetzung

Das ISE brachte zudem ein eigenes, einzigartiges Messgerät in eine STANBC-Messkampagne ein: FATCAT (Fast Thermal Carbon Totalizator), das auch an der FHNW entwickelt wurde.

FATCAT funktioniert anders als die optischen Verfahren. Anstatt zu messen, wie viel Licht Aerosolpartikel absorbieren, misst es, wie sich Partikel verhalten, wenn sie schnell erhitzt werden – dabei entsteht ein schnelles Thermogramm, ein Fingerabdruck des kohlenstoffhaltigen Anteils des Aerosols. Dies liefert direkte Einblicke in die chemische Zusammensetzung kohlenstoffhaltiger Aerosolpartikel, ohne sich auf die künstlichen Grenzen zu stützen, die herkömmliche Techniken zwischen den Kohlenstofffraktionen auferlegen.

Zwar misst FATCAT den äquivalenten schwarzen Kohlenstoff nicht direkt, doch ergänzt es aufgrund seines einzigartigen Designs die im Projekt verwendeten optischen Referenzmethoden. Durch die Teilnahme an der STANBC-Messkampagne erhielt das ISE-Team wertvolle Daten darüber, in welchem Zusammenhang die Thermogramme von FATCAT mit den von EMS, PTI und den photoakustischen Instrumenten gemessenen Grössen stehen. Dies wird dazu beitragen, zu beurteilen, ob und wie FATCAT künftig an Luftqualitätsmessstationen eingesetzt werden könnte – und damit den Weg für umfassendere, zusammensetzungsaufgelöste Aerosoldaten neben herkömmlichen eBC-Messungen ebnen.

STANBC hatte sich zum Ziel gesetzt, ein grundlegendes Problem bei der Luftqualitätsüberwachung zu beheben: das Fehlen eines zuverlässigen und einheitlichen Messrahmens für Russpartikel bzw. Black Carbon.

Das Projekt verfolgte vier miteinander verbundene Ziele:

Das erste Ziel bestand darin, rückverfolgbare Referenzmethoden zur Messung der Lichtabsorption von Aerosolpartikeln zu entwickeln – die physikalische Grösse, die der gesamten Russüberwachung zugrunde liegt. Zwei Verfahren, „Extinction Minus Scattering“ und „Photo-Thermal Interferometry“, wurden als Primärstandards etabliert, deren Messunsicherheiten unter 10% liegen.

Das zweite Ziel bestand darin, zu verstehen, wie verschiedene Messgrössen für Russpartikel zueinander in Beziehung stehen – insbesondere, wie sich die optisch ermittelte eBC-Masse, die thermisch ermittelte EC-Masse und die mittels Laser-Glühverfahren ermittelte rBC-Masse bei verschiedenen Aerosoltypen und -bedingungen vergleichen lassen und welche Umrechnungsfaktoren erforderlich sind, um zuverlässig zwischen ihnen umzurechnen.

Das dritte Ziel bestand darin, diese Referenzmethoden zur Kalibrierung der filterbasierten Photometer zu nutzen, die an Messstationen in ganz Europa weit verbreitet sind, und dabei Korrekturfaktoren zu ermitteln, die die unterschiedlichen optischen Eigenschaften realer Aerosole berücksichtigen.

Das vierte und vielleicht weitreichendste Ziel bestand darin, all dies in normative Standards um-zusetzen – in Zusammenarbeit mit CEN/TC 264, um sicherzustellen, dass die wissenschaftli-chen Ergebnisse des Projekts direkt in die regulatorischen Rahmenbedingungen einfliessen, auf denen die Luftqualitätsgesetzgebung in ganz Europa basiert.

Die Rolle der FHNW erstreckte sich auf alle vier Ziele: Die „Organic Coating Unit“ ermöglichte die Erzeugung realistischer Testaerosole für Kalibrierungskampagnen, während FATCAT ergänzende Daten zur Zusammensetzung für die Vergleichsstudien beisteuerte.

STANBC brachte nationale Metrologieinstitute und Forschungsgruppen aus ganz Europa zusammen, um diese Probleme systematisch anzugehen. Das Projekt lieferte Ergebnisse in sieben Hauptarbeitsbereichen:

Etablierung von Referenzmessverfahren. Im Rahmen des Projekts wurden zwei primäre Referenzverfahren entwickelt und validiert – „Extinction Minus Scattering“ (EMS) und „Photo-Thermal Interferometry“ (PTI) –, mit denen die Lichtabsorption von Aerosolen mit einer Unsicherheit von unter 10% gemessen werden kann. Diese dienen als „Goldstandard“, anhand dessen andere Instrumente kalibriert werden können.

Aufbau einer Rückführbarkeitskette.
Ein wichtiges Ergebnis ist eine klare, schrittweise Kalibrierungskette: von primären Laborstandards über tragbare photoakustische Spektrometer, die als Transferinstrumente im Feld eingesetzt werden, bis hin zu den filterbasierten Photometern, die an Messstationen zum Einsatz kommen. Diese Struktur – bekannt aus anderen Messbereichen wie Temperatur oder Masse – bringt erstmals die gleiche Genauigkeit in die Messung von Russpartikeln ein.

Verständnis der Zusammenhänge zwischen verschiedenen BC-Metriken.
Durch sorgfältig kontrollierte Laborexperimente quantifizierte das Projekt die Zusammenhänge zwischen den Massenkonzentrationen von eBC, rBC und EC über ein breites Spektrum von Aerosoltypen hinweg, einschliesslich frischen und gealterten Russpartikeln. Die Ergebnisse zeigten erhebliche Unterschiede zwischen rBC, EC und eBC – drei Grössen, die in der Praxis oft als austauschbar behandelt werden – und unterstrichen, warum direkte Vergleiche zwischen Daten aus verschiedenen Messnetzen mit Vorsicht vorgenommen werden müssen.

Kalibrierung filterbasierter Photometer.
Für weit verbreitete filterbasierte Messgeräte wurde ein systematisches Kalibrierungsverfahren entwickelt, bei dem Aerosole zum Einsatz kamen, die den gesamten Bereich der in der realen Atmosphäre vorkommenden optischen Eigenschaften abdecken. Die Kalibrierungsfaktoren wurden mit Unsicherheiten von unter 15% ermittelt, was eine erhebliche Verbesserung gegenüber dem aktuellen Stand der Technik darstellt.

Zusammenarbeit mit Normungsgremien.
Das vielleicht nachhaltigste Ergebnis: STANBC hat dem CEN/TC 264, dem für Luftqualitätsnormen zuständigen europäischen Ausschuss, ein neues Arbeitsprojekt (New Work Item, NWI) vorgeschlagen. Der Vorschlag – zu Methoden zur Bestimmung der Russmasskonzentration, des Lichtabsorptionskoeffizienten von Aerosolen und abgeleiteter optischer Parameter in der Umgebungsluft – wurde zur Abstimmung gebracht und angenommen. Um dies voranzutreiben, wird die bestehende Arbeitsgruppe CEN/TC 264/WG 35 – die sich derzeit auf die Messung von organischem und elementarem Kohlenstoff konzentriert – ihren Aufgabenbereich auf Messungen von Russpartikeln und Lichtabsorption ausweiten und damit den Weg für die erste spezielle europäische Norm in diesem Bereich ebnen

Weitere Informationen:

• STANBC-Projektwebsite
• EURAMET-Projektseite
• ISE an der FHNW
• Organic Coating Unit (OCU) am ISE
• FATCAT-Projekt am ISE

Ausgewählte Publikationen:

• Keller, A., Kalbermatter, D. M., Wolfer, K., Specht, P., Steigmeier, P., Resch, J., … Vasilatou, K. (2022). The organic coating unit, an all-in-one system for reproducible generation of secondary organic matter aerosol. Aerosol Science and Technology, 56(10), 947–958. doi.org/10.1080/02786826.2022.2110448
  
• Keller, A., Specht, P., Steigmeier, P., & Weingartner, E. (2023). A novel measurement system for unattended, in situ characterization of carbonaceous aerosols. Aerosol Research, 1(1), 65–79. doi.org/10.5194/ar-1-65-2023
  
• Corbin, J. C., Clavel, D., & Smallwood, G. J. (2024). Characterization of two aerosol carbon analyzers based on temperature programmed oxidation: TCA08 and FATCAT. Aerosol Science and Technology, 58(7), 812–829. doi.org/10.1080/02786826.2024.2351991
  
• Asmi, E., Sipkens, T. A., Saturno, J. et al. (2026). Mass absorption cross-section of ambient black carbon aerosols — a review. npj Climate and Atmospheric Science, 9, 17. doi.org/10.1038/s41612-025-01288-2
  
• Hammer T. et al. (2026) Laboratory-based calibration procedure for filter-based absorption photometers using photothermal interferometry and the extinction-minus-scattering method, Aerosol Science and Technology, 60:12, 1394-1411, DOI: 10.1080/02786826.2026.2688312

Das Projekt lief im Mai 2026 aus, doch die Arbeit wird im Rahmen der europäischen Normung wird fortgesetzt. Die Ergebnisse von STANBC unterstützen direkt die Aktivitäten der CEN/TC 264/WG 35, die derzeit ihren Anwendungsbereich auf Russpartikel und die Lichtabsorption von Aerosolen ausweitet.

Für das ISE-Team hat STANBC unsere Fachkompetenz im Bereich der rückverfolgbaren Aerosolmessung gestärkt, die OCU als Werkzeug zur realistischen Erzeugung von Aerosolen im Labor weiterentwickelt und neue Erkenntnisse über das Potenzial von FATCAT als Feldmessgerät geliefert. Wir freuen uns darauf, diese Arbeit gemeinsam mit den europäischen Fachgemeinschaften für Metrologie und Luftqualität fortzusetzen.