Flugzeugabgase werden mit der Zeit gefährlicher – Feinstaub bis zu siebenmal reaktiver

Wenn ein Flugzeug seine Abgase ausstößt, beginnt für die winzigen Ruß- und Feinstaubpartikel eine chemische Verwandlung. Sie treiben mit dem Wind davon, reagieren mit Bestandteilen der Luft und verändern unter dem Einfluss des Sonnenlichts ihre Eigenschaften. Dabei kann ihre Fähigkeit, schädliche chemische Reaktionen auszulösen, erheblich zunehmen. In einem Laborexperiment stieg die oxidative Aktivität von Feinstaub aus Flugzeugabgasen innerhalb von zwölf simulierten Tagen auf das Sechs- bis Siebenfache. Solche Reaktionen können im menschlichen Körper Entzündungen und Zellschäden begünstigen.

Wissenschaftler der Universität Basel haben gemeinsam mit internationalen Partnern untersucht, wie sich Abgase von Flugzeug- und Schiffsmotoren in der Atmosphäre verändern. Während der Feinstaub aus der Flugzeugturbine mit zunehmender Alterung deutlich reaktiver wurde, blieb ein vergleichbarer Anstieg bei Schiffsabgasen aus. Die Ergebnisse, veröffentlicht im Fachjournal Environmental Science: Atmospheres, legen nahe, dass die möglichen Gesundheitsgefahren von Flugzeugabgasen auch von ihrer Verweildauer und chemischen Veränderung in der Luft abhängen.

Warum Feinstaub die Lunge und das Herz schädigen kann

Besonders kleine Feinstaubpartikel dringen tief in die Lunge ein und können dort oxidativen Stress auslösen, der die Zellen belastet. Eine langfristige Feinstaubbelastung erhöht zudem das Risiko für Atemwegs- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen.

Wie stark Partikel solche schädlichen Reaktionen begünstigen, beschreiben Wissenschaftler mit dem sogenannten oxidativen Potenzial. Bei den Messungen der Flugzeugabgase bezogen sie diesen Wert auf die Feinstaubmasse. So verglichen sie, wie reaktiv die Partikel vor und nach der künstlichen Alterung waren.

Im Labor altern Flugzeugabgase innerhalb weniger Sekunden

An der Universität Rostock nutzten die Wissenschaftler einen speziellen photochemischen Reaktor. Darin setzten sie verdünnte Motorabgase UV-Licht und stark oxidierenden Stoffen aus. So konnten sie chemische Veränderungen beschleunigen, die unter natürlichen Bedingungen wesentlich länger dauern.

Die Proben blieben rund 70 Sekunden im Reaktor. Die intensive Behandlung entsprach rechnerisch einer atmosphärischen Alterung von bis zu zwölf Tagen. Dabei untersuchten die Wissenschaftler drei wesentliche Veränderungen:

• Chemische Zusammensetzung: Die organischen Bestandteile der Partikel nahmen zunehmend Sauerstoff auf.
• Partikelbildung: Aus gasförmigen Abgasbestandteilen entstanden zusätzliche Feinstaubpartikel.
• Oxidative Aktivität: Bei den Flugzeugemissionen nahm die Reaktivität pro Partikelmasse mit zunehmender Alterung deutlich zu.

Vitamin C hilft, die Reaktivität von Feinstaub zu messen

Für die Messungen verwendete das Forschungsteam ein an der Universität Basel entwickeltes Gerät. Das Online Oxidative Potential Ascorbic Acid Instrument, kurz OOPAAI, arbeitet mit Ascorbinsäure, die auch als Vitamin C bekannt ist. Reaktive Stoffe aus den Partikeln oxidieren die Ascorbinsäure. Aus dem Ausmaß dieser Reaktion lässt sich das oxidative Potenzial bestimmen.

Das Verfahren erfasst die Eigenschaften der Partikel unmittelbar nach der Probenahme. Bei herkömmlichen Untersuchungen sammeln Wissenschaftler Feinstaub häufig auf Filtern und analysieren ihn erst später. Allerdings können besonders reaktive Bestandteile während der Lagerung zerfallen. Dadurch besteht die Gefahr, ihre ursprüngliche Aktivität zu unterschätzen.

Schiffsabgase verändern sich chemisch, werden aber nicht reaktiver

Bei den Abgasen eines Schiffsdieselmotors verlief die Alterung anders. Die Wissenschaftler untersuchten zwei Kraftstoffe: Marinediesel und schwefelarmes Schweröl. Nach mehreren simulierten Tagen lag die Feinstaubmasse teilweise mehr als zehnmal so hoch wie zu Beginn, weil sich aus gasförmigen Bestandteilen zusätzliche Partikel bildeten.

Trotz dieser Zunahme stieg das oxidative Potenzial pro Partikelmasse nicht systematisch an. Auch der wachsende Sauerstoffanteil in den organischen Partikelbestandteilen änderte daran nichts. Welche chemischen Substanzen für den Unterschied zu den Flugzeugemissionen verantwortlich sind, konnten die Wissenschaftler bislang nicht vollständig bestimmen.

Flugzeugabgase können sich weit über Flughäfen hinaus ausbreiten

Feinstaub aus dem Flugverkehr belastet nicht ausschließlich die unmittelbare Umgebung von Flughäfen. Luftströmungen können die Partikel über größere Entfernungen transportieren. Damit könnten auch bereits länger in der Atmosphäre befindliche Emissionen für die Gesundheit relevant sein.

„Unsere Studie zeigt, dass es wichtig ist, über frisch emittierte Abgaspartikel hinauszuschauen. Atmosphärische Prozesse können die oxidativen Eigenschaften der Partikel erheblich verändern, und damit auch ihr Potenzial, die menschliche Gesundheit zu schädigen“, erklärt Battist Utinger von der Universität Basel. Er gehört zu den beiden Erstautoren der Untersuchung.

Ein siebenfach höherer Messwert bedeutet kein siebenfaches Krankheitsrisiko

Für die Flugzeugmessungen nutzten die Wissenschaftler die Brennkammer eines kleinen Düsentriebwerks mit JP-8-Kraftstoff. Sie betrieben sie unter gleichbleibender Last. Das Verfahren bildete bestimmte Eigenschaften von Flugzeugemissionen nach, erfasste jedoch nicht sämtliche Betriebsbedingungen moderner Passagierflugzeuge.

Außerdem untersuchten die Wissenschaftler die chemische Reaktivität der Partikel und keine konkreten Krankheitsfolgen beim Menschen. Ein siebenfach höheres oxidatives Potenzial bedeutet deshalb nicht, dass sich auch das Erkrankungsrisiko versiebenfacht. Wie stark die gealterten Partikel tatsächlich auf menschliche Zellen und Gewebe wirken, müssen weitere toxikologische Untersuchungen klären.

Heutige Feinstaubvorschriften berücksichtigen die Reaktivität kaum

Bei der gesetzlichen Bewertung von Feinstaub stehen bislang vor allem die Partikelmasse und die ausgestoßenen Schadstoffmengen im Vordergrund. Die oxidative Aktivität wird dabei nicht in vergleichbarer Weise berücksichtigt. Allerdings können Feinstaubpartikel aus unterschiedlichen Verbrennungsprozessen bei gleicher Masse sehr verschiedene chemische Eigenschaften besitzen.

Studienleiter Markus Kalberer von der Universität Basel kritisiert deshalb die geltenden Anforderungen: „Diese Studie zeigt klar, dass die heutigen gesetzlichen Grundlagen, wie die Schweizerische Luftreinhalteverordnung, die Eigenschaften der toxischsten Feinstaubquellen und Feinstaubeigenschaften nicht genügend berücksichtigen.“

Für eine umfassendere Bewertung von Abgasen müssten künftig auch ihre chemischen Veränderungen während des Transports durch die Atmosphäre berücksichtigt werden. Das betrifft sowohl die Entwicklung neuer Kraftstoffe als auch Maßnahmen zur Abgasreinigung. Denn die Partikel, die Menschen schließlich einatmen, können andere Eigenschaften besitzen als unmittelbar am Auspuff oder Triebwerk.

Kurz zusammengefasst:

• Flugzeugabgase verändern sich in der Luft: Im Labor stieg die oxidative Aktivität ihres Feinstaubs innerhalb von zwölf simulierten Tagen auf das Sechs- bis Siebenfache.
• Feinstaub kann die Gesundheit belasten: Oxidative Reaktionen können Entzündungen und Zellschäden fördern; ein siebenfach höheres Krankheitsrisiko ist damit jedoch nicht nachgewiesen.
• Die Feinstaubmenge allein sagt wenig über die Schädlichkeit aus: Auch die chemischen Eigenschaften und die Alterung der Partikel sind für die Bewertung möglicher Gesundheitsgefahren wichtig.

Übrigens: Flugzeugabgase beeinflussen auch das Klima. Bill Gates will deshalb die Entstehung langlebiger Kondensstreifen verhindern. Schon kleine Änderungen bei rund fünf Prozent der Flüge könnten einen Großteil ihrer Klimawirkung vermeiden. Mehr dazu in unserem Artikel.

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