Luftqualität verbessern

Quellen des Feinstaubs auf der Spur

Für sein Forschungsprojekt zum Thema Feinstaub hat Alexander Vogel, Professor für Atmosphärische Umweltanalytik an der Goethe-Universität, den Adolf-Messer-Stiftungspreis erhalten. Der Forscher hat eine Methode entwickelt, mit der molekulare Fingerabdrücke von atmosphärischen Feinstaubproben erstellt werden können.

Entgegen der landläufigen Meinung stammen die meisten Feinstaubpartikel in der Atmosphäre nicht direkt aus dem Autoauspuff oder dem Schornstein von Kohlekraftwerken, sondern entstehen erst in der Atmosphäre aus gasförmigen Vorläufermolekülen. Dieser sekundäre Feinstaub besteht aus kleinsten Partikeln mit einem mittleren Durchmesser im Nanometerbereich. Ein Beispiel für die Entstehung sekundären Feinstaubs ist die Oxidation von Stickoxiden aus Dieselmotoren. © Pixabay, hpgruesen

Feinstaub gehört zu den Umweltbelastungen, deren Quellen bis heute nicht alle bekannt sind, denn das sehr komplexe Gemisch entsteht in der Atmosphäre aus verschiedensten gasförmigen Vorläufermolekülen. Diesen auf die Spur zu kommen und damit zur Verbesserung der Luftqualität beizutragen, ist das Ziel von Alexander Vogel, Professor für Atmosphärische Umweltanalytik an der Goethe-Universität. Für sein Forschungsprojekt hat er am 26. November in einer Feierstunde den Adolf-Messer-Stiftungspreis erhalten. Anlässlich seines 25-jährigen Jubiläums ist der Preis in diesem Jahr mit 50 000 Euro dotiert.

Universitätspräsidentin Prof. Dr. Birgitta Wolff: „Glückwunsch für Alexander Vogel! Er forscht zu einem global wichtigen Thema, das uns alle betrifft, vor allem in den Metropolen: Feinstaub. Seine Forschung kann einen Beitrag leisten, dieses bedrohliche Phänomen besser zu verstehen und das Leben in den Städten dieser Welt gesünder zu machen. Wir danken der Stiftung für ihr unermüdliches Engagement für Nachwuchsforschende an der Goethe-Universität. Und wir begrüßen es, dass sich die Stiftung mit ihrer unlängst veröffentlichten Klarstellung zur Rolle ihres Namensgebers Adolf Messer zu ihrer historischen Verantwortung bekennt.“

Wissenschaftsminister Boris Rhein gratulierte ebenfalls im Rahmen einer Ansprache, und der Vorsitzende des Stiftungsrats, Stefan Messer, betonte: „Aufgabe einer jeden Stiftung sollte es sein, Projekte und Ideen zu unterstützen, die im Rahmen staatlicher Grundversorgung nicht oder nicht ausreichend bedacht werden. Diese Idee verfolgt auch unsere gemeinnützige Stiftung, indem sie Wissenschaftler fördert und würdigt, die durch herausragende Leistungen auf sich aufmerksam gemacht haben. Wir freuen uns, dass auf diesem Wege, 2018, zum 25. Mal Innovationskraft, wissenschaftliche Neugier und Pioniergeist honoriert werden.“

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Luftverschmutzung durch Feinstaub

Schätzungen der WHO zufolge sterben jährlich rund 6,5 Millionen Menschen vorzeitig durch Luftverschmutzung, wovon ein Großteil der Feinstaubbelastung zuzuordnen ist. Entgegen der landläufigen Meinung stammen die meisten Feinstaubpartikel in der Atmosphäre nicht direkt aus dem Autoauspuff oder dem Schornstein von Kohlekraftwerken, sondern entstehen erst in der Atmosphäre aus gasförmigen Vorläufermolekülen. Dieser sekundäre Feinstaub besteht aus kleinsten Partikeln mit einem mittleren Durchmesser im Nanometerbereich. Diese können tief in die Lunge eindringen und über die Lungenbläschen sogar ins Blut gelangen. Ein Beispiel für die Entstehung sekundären Feinstaubs ist die Oxidation von Stickoxiden aus Dieselmotoren: Die entstehenden Salpetersäuremoleküle lagern sich in der Atmosphäre mit Ammoniak zu Ammoniumnitrat zusammen.

Die anorganischen Ausgangs-Moleküle und ihre Entwicklung zu sekundärem Feinstaub sind inzwischen gut erforscht: Stickoxide aus Verkehr und Industrie, Schwefeldioxid aus Kohlekraftwerken sowie Ammoniak aus der Landwirtschaft. Aber daneben gibt es eine Vielzahl organischer Moleküle, die teilweise auch in der Natur vorkommen, wie die von Fichtenwäldern freigesetzten Terpene. Organische Vorläufermoleküle, welche vom Menschen freigesetzt werden, sind in Bezug auf die Bildung von sekundärem Feinstaub ein hochaktuelles Forschungsthema. Diese Vorläufermoleküle, sowie ihre Wechselwirkungen mit anorganischen Spurenstoffen, sind bisher nur ansatzweise bekannt. Die Produkte dieser chemischen Umwandlung eindeutig zu identifizieren wird dadurch erschwert, dass die Moleküle sich zwar in der Struktur unterscheiden, aber oftmals die gleiche Masse haben.

Molekulare Fingerabdrücke von atmosphärischen Feinstaubproben

In seiner Zeit als Post-Doktorand am Paul-Scherrer-Institut in der Schweiz hat Alexander Vogel eine Methode entwickelt, molekulare Fingerabdrücke von atmosphärischen Feinstaubproben zu erstellen. Aus ihrer Analyse kann er auf die sekundären Bildungsmechanismen zurückschließen. Der molekulare Fingerabdruck von Feinstaubproben aus Los Angeles weist beispielsweise einen hohen Anteil an stickstoffhaltigen organischen Molekülen auf. „Es lässt sich vermuten, dass eine Reduktion von Stickoxid-Emissionen auch zu einer Minderung der Feinstaubbelastung im städtischen Raum beiträgt“, erklärt Vogel.

Um jedoch die Bildungsmechanismen der einzelnen Substanzen aufzuklären, bedarf es weiterer Analysen atmosphärischer Proben und gezielter Laborversuche, mit denen die Entstehung von Feinstaub nachgestellt wird. Durch den Vergleich von Feldmessungen mit dem Experiment kann Alexander Vogel bereits einen Teil der Signale in den Realproben bestimmten Prozessen und Vorläufermolekülen zuordnen. Von den verbleibenden Unbekannten lässt sich zumindest die Summenformel bestimmten, so dass in weiteren Laborversuchen nach der Herkunft dieser Verbindungen geforscht werden kann.


Seine am Paul-Scherrer-Institut entwickelte experimentelle Methode wird Alexander Vogel nun auch an der Goethe-Universität etablieren. Dazu benötigt er unter anderem ein Gerät für die Hochleistungsflüssigchromatographie, das dank der Förderung durch die Adolf Messer Stiftung angeschafft werden kann. Bei den Studierenden des Masterstudiengangs Umweltwissenschaften stößt sein Forschungsansatz auf großes Interesse. Die Messungen werden voraussichtlich Anfang 2019 beginnen. Bereits jetzt bewerben sich Interessenten für Master- und Doktorarbeiten.

Die hohe Relevanz des Themas wird in diesem Jahr durch ein zur Preisvergabe begleitendes Symposium unterstrichen. Unter dem Titel „Understanding particulate matter: A grand challenge of the 21st century?“ geht es unter anderem um Feinstaubmessungen am Frankfurter Flughafen, den Smog in chinesischen Großstädten und die gesundheitlichen Effekte durch Feinstaub.

Alexander Vogel, Jahrgang 1984, studierte Chemie an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz. Nach seiner Promotion (2014) führten ihn Forschungsaufenthalte zum CLOUD-Experiment am europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf und an das Paul-Scherrer-Institut in Villigen, Schweiz. Seit Januar 2018 ist er als Tenure track-Professor für Atmosphärische Umweltanalytik an der Goethe-Universität tätig.

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