Wenn Diesel auf Nanotechnik trifft

Ein britisches Start-up hat an eine Methode entwickelt, mit der Dieseltreibstoff besser und effizienter verbrennt. Das Problem: Die dabei eingesetzte Nanotechnik ruft die US-Umweltschutzbehörden auf den Plan.

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Von
  • Peter Fairley

Oxonica, ein Spin-Off der University of Oxford, hat eine Technik erfunden, mit der Dieselmotoren besser laufen sollen, weil der Treibstoff dank eines Zusatzstoffes effizienter verbrennt. Dabei soll sich die Wirtschaftlichkeit im Durchschnitt um 5 Prozent erhöhen – bei gleichzeitiger Absenkung der Rußemissionen um bis zu 15 Prozent. Die Technik stößt in Europa und Asien bereits auf größeres Interesse.

Kürzlich konnte Oxonica seinen bislang größten Deal verkünden: Das Startup wird seinen Treibstoffzusatz an Petrol Ofisi A.S. verkaufen, den größten Treibstoffhändler der Türkei. 12,7 Millionen Dollar im Jahr ist das Geschäft wert. Aufgerechnet sollen sich so ungefähr 200.000 Tonnen CO2 pro Jahr einsparen lassen, weil weniger Treibstoff verbraucht werde, wie Oxonica-CEO Kevin Matthews sagt. Ironischerweise könnten nun aber ausgerechnet Bedenken der Umweltschutzbehörden dafür sorgen, dass sich die Technik nicht weiter durchsetzt.

Der Treibstoffzusatz, den Oxonica erfunden hat, nennt sich Envirox. Er setzt auf Ceroxid als Katalysator. Es ist eines von mehreren Metallen, die bereits in Abgaskatalysatoren zur Verringerung schädlicher Stoffe verwendet werden. Cer spielt in diesen normalerweise allerdings nur eine Unterstützerrolle - für Platin, das als Katalysator noch deutlich aktiver, aber auch teurer ist. Ceroxid bietet in Form von 5 bis 25 Nanometer großen Nanopartikeln jedoch zwei Vorteile: Es macht aus dem billigeren Metall einen hochaktiven Katalysator und liegt dadurch in einer Form vor, die direkt in den Treibstoff gemischt werden kann.

Die Partikelgröße ist wichtig, weil die katalytische Aktivität von der Größe der Oberfläche abhängt. Die nimmt bei einer großen Anzahl von Partikeln exponentiell zu, je kleiner die Masse der einzelnen Stücke ist. Im Ergebnis ist dadurch nur eine kleine Menge des Stoffes notwendig: Envirox wird mit einem Verhältnis von fünf Teilen pro Million hinzugemischt.

Firmenchef Matthews, ein in Oxford ausgebildeter Chemiker, stellt vor allem einen Vorteil heraus: Ceroxid-Nanopartikel sorgten für eine besser verteilte Verbrennung, die zudem länger andauere. In einem Dieselmotor kommt es zur Verbrennung, wenn der Treibstoff, der in den Zylinder eingespritzt wurde, verdichtet wird. Verteilt man den Brand besser, reduziert der im Treibstoff enthaltene Katalysator die Kraft, die zu Beginn der Verbrennung auftritt, während der Kolben noch in den Zylinder drückt. In diesem Moment arbeitet der Dieselmotor nämlich noch gegen sich selbst.

"Wir sorgen dafür, dass die Verbrennung sich dabei verschiebt. Sie erfolgt dann deutlich stärker im positiven Bereich des Zyklus", sagt Matthews. Aber nicht nur als Katalysator können die Ceroxid-Nanopartikel helfen: Später, wenn die Verbrennung in vollem Gange ist, zersetzen sie sich und geben dabei Sauerstoff ab, was wiederum die Flamme nährt und übrig gebliebenen Treibstoff zündet.

Scott Anderson, Professor für physikalische und analytische Chemie an der University of Utah, hält die Idee von Oxonica durchaus für umsetzbar, er selbst habe bei Experimenten Ceroxid-Nanopartikeln als Katalysator in militärischem Flugbenzin verwendet: "Der Stoff ist als Verbrennungskatalysator gut bekannt. Wenn man genug davon einsetzt, steigert er die Verbrennung und sollte dadurch auch die Effizienz steigern."

Bedenken gegenüber der eingesetzten Nanotechnik wollte Oxonica dadurch zerstreuen, in dem es bei einem großen britischen Busunternehmen Envirox im großen Stil testete. In den Jahren 2003 und 2004 setzte die Transportfirma Stagecoach den Treibstoffzusatz in 1000 Bussen in Großbritannien ein. Die Kontrollgruppe bestand aus 500 Fahrzeugen. Insgesamt verbrauchten die mit Envirox betriebenen Fahrzeuge fünf Prozent weniger Sprit - eine Einsparung, die mehr als den Kosten für den Zusatzstoff entsprach. Ende 2004 begann Stagecoach dann damit, Envirox vollständig in Großbritannien einzuführen und kaufte sogar Aktien, als Oxonica an die Börse ging.

Das Start-up würde seine Erfindung nun auch gerne in US-Bussen sehen. Dort hob allerdings die Umweltbehörde EPA die Hand - sie fürchtet, dass die Ceroxid-Nanopartikel, die aus dem Auspuff kommen, ein Gesundheitsrisiko darstellen könnten. Während es normalerweise für einen neuen Treibstoffzusatz nur sechs Monate dauert, bis eine Genehmigung der EPA vorliegt, wartet Oxonica bereits seit einem Jahr. Matthews geht davon aus, dass es noch weitere zwei Jahre dauern könnte.

Die Toxizität von Ceroxid ist in Nicht-Nanoform vergleichbar mit der von Tafelsalz. Doch als Nanopartikel ergibt sich ein wesentlich größeres Risiko, besonders wenn man den Stoff inhaliert. Während größere Partikel durch die Lunge gefiltert werden, können Nanopartikel mit einer Größe von weniger als 100 Nanometern das umgebende Lungengewebe durchdringen. So gelangen die Partikel dann in den Blutkreislauf, in Zellen und in einigen Fällen sogar in die Zellkerne, wo die Chromosome sitzen. Die EPA fürchtet daher, dass Envirox zwar für weniger Ruß sorgen könnte, die ausgestoßenen Partikel aber gänzlich neue Gefahren für den Menschen bedeuten könnten.

Oxonica selbst glaubt nicht daran, dass sich die Anzahl kleiner Partikel durch die Verbrennung erhöht. Auch Studien mit so genannten künstlichen Lungen hätten keine Probleme gezeigt, so Matthews.

Chemiker Anderson glaubt, dass Oxonica hier ein Opfer der Angst vor der unbekannten Gefahr werde. Zudem sei es sehr schwer, Nanopartikel in Abgasen mit konventionellen optischen Erkennungstechniken überhaupt zu messen. "Sie sind so klein, dass sie das Licht nicht effektiv genug streuen." Außerdem seien die bisherigen Erkenntnisse über die Gesundheitsauswirkungen von Nanopartikeln noch im Frühstadium, und die EPA sei sich nach wie vor nicht sicher, wie sie zu regulieren seien. "Die sind erst dabei, sich der Gefahren von Partikeln im Mikrometerbereich bewusst zu werden. Was die Regulierung noch kleinerer Partikel anbetrifft, haben sie noch keinen Schimmer."

Die EPA hat bereits zu Diskussionen über die Nanopartikel-Regulierung öffentlich eingeladen. Im vergangenen Dezember wurde dann ein Weißbuch zum Thema vorgelegt, das dann in einen Peer-Review-Prozess eingeschleust wurde. Ein geplantes Überwachungsprogramm auf zunächst freiwilliger Basis existiert jedoch noch immer nicht. Damit soll der Bereich seit langem intensiver beobachtet werden. Oxonica könnte hier nun zu einem wichtigen Testfall im US-Nanosektor werden: Julia Moore, stellvertretende Direktorin des "Project on Emerging Nanotechnologies" beim Woodrow Wilson International Center for Scholars, geht davon aus, dass es dazu kommen wird.

Übersetzung: Ben Schwan. (nbo)