Kaum Reifenabrieb im Feinstaub

| | Huckepack auf der ständigen Luftschadstoff-Messstelle des Hessischen Landesamtes für Umwelt und Geologie hinter der Ausfahrt des Darmstädter Cityring-Tunnels in der Hügelstraße standen 2010 die drei Messapparate für den mengenmäßigen Nachweis von Reifengummi. Foto: Hochschule Rhein-Main

Als Epidemiologen (Medizin-Statistiker) auf Zusammenhänge zwischen Feinstaub in der Luft und Lungenkrankheiten hinwiesen, wurde rasch das Auto zum Sündenbock gemacht. EU-Politiker erdachten das System städtischer Umweltzonen, das inzwischen vielerorts Fahrer älterer Kraftfahrzeuge ausgrenzt. Auspuffgase, voran Dieselruß machten den Hauptanteil schädlicher Luftbelastung aus, hieß es – dann wurde als weiteres Abfallprodukt des Verkehrs auch der Reifenabrieb verteufelt.
Dazu wurden Modellrechnungen angestellt, die den Anteil des Reifenabriebs am gesamten Staub von einer Teilchengröße unter zehn Mikrometer (also ein Zehntel der Dicke eines Menschenhaares) auf zwischen zwei und 14 Prozent einschätzten.
Versuche, den Gummiabrieb mengenmäßig zu bestimmen, standen auf schwachen Füßen. Eine Studie habe sich an Zink und anderen Additiven orientieren wollen, dabei aber völlig übersehen, dass diese Substanzen aus der Reifenproduktion auch aus anderen Quellen stammen können, erläutert der Chemiker Günter Stein, der seit 1985 an der Hochschule Rhein-Main lehrt und seit 1995 das Labor für Umweltanalytik in Rüsselsheim betreut.
Ein Teil der Problematik liege darin, dass Reifen-Laufflächen keineswegs alle aus demselben Material bestehen: Schon die Basis kann Naturkautschuk sein – natural rubber, abgekürzt NR, aber auch Synthesekautschuk – Butadienkautschuk (BR, aus: butadien rubber) und Styrolbutadien-Kautschuk (SBR, aus: styrene butadien rubber).
Der Kautschuk macht im Schnitt 40 Prozent der Lauffläche aus, zahlreiche Additive kommen hinzu, die beim Vulkanisierungsvorgang, dem heißen Pressen in der Form, die Eigenschaften des Gummis verbessern. Voran etwa Schwefel als Vernetzer und Zinkoxid als Vulkanisations-Aktivator, verschiedene Öle als Weichmacher. In manchen Reifen lassen sich mutmasslich hoch karzinogene (krebserregende) polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) nachweisen – vermutlich nur noch in fernöstlichen Billig-Produktionsstätten als Weichmacher eingesetzt.
Während Reifen früher Ruß enthielten, werden Gummimischungen moderner Pkw-Reifen – umweltfreundlichere „green tires“ – stattdessen mit Kieselsäure dotiert, um den Rollwiderstand zu minimieren. Sie wären daher eigentlich farblos – nur weil Autofahrer an „schwarze Schlappen“ gewöhnt sind, wird bis maximal zwei Prozent Ruß als Farbstoff zugesetzt. Das genaue Verhältnis der Komponenten sei streng gehütetes Geheimnis der Reifenindustrie, erläutert Stein – er habe von daher zu diesem Forschungsprojekt auch keinerlei Herstellerinformationen erhalten. Unterstützung fanden er, sein Mitarbeiter Erik Wünstel und Studenten hingegen beim Hessischen Landesamt für Umwelt und Geologie (kurz HLUG), dessen Diplom-Ingenieurin Wilma Travnicek-Pagaimo federführend an der Rüsselsheimer Studie beteiligt war. Eine Publikation hierzu ist im VDI-Bericht 2113 erschienen.
Steins Forschungsansatz benötigte zunächst eine Leitsubstanz, die für Reifengummi so eindeutig und charakteristisch sein sollte wie ein Fingerabdruck. In Vorversuchen ermittelte das Forscherteam für Naturkautschuk als Leitsubstanz Isopren sowie das aus zwei Isopren-Gruppen zusammengesetzte Limonen (das als Aromastoff in Zitrusfrüchten enthalten ist), für BR und SBR jeweils entsprechend eindeutige Substanzen.
Die Proben wurden durch je drei zusätzliche Apparaturen an zwei Orten genommen, an denen das HLUG ständig die Gesamtbelastung der Luft überwacht – in Darmstadt an der oberen Hügelstraße und in Wiesbaden an der Ringkirche. Dort stellte das Rüsselsheimer Forscherteam drei Messboxen auf, die jeweils unterschiedliche Partikelgrößen aus der Luft einfingen. Wie Stein erklärt, sind nämlich Staubpartikel um so lungengängiger, damit gesundheitsgefährlicher, je kleiner sie sind: Lungenbläschen-gängig (und damit am gefährlichsten) sind Partikel unterhalb 0,1 Mikrometer (ein Menschenhaar ist mit 100 Mikrometer tausend Mal so dick). Die am gröbsten eingestellte Messfalle ermittelt die Gesamtstaubbelastung (TSP, aus total suspended particles) der Luft. Je eine weitere Messbox ermittelte Partikel der Größen unter zehn Mikrometer (PM₁₀) sowie 2,5 Mikrometer (PM_2,5) – nur letztere Fraktion enthält den lungengängigen, gesundheitsgefährlichen Feinstaub.
Um darin die Leitsubstanzen des Laufflächen-Abriebs nachzuweisen, muss man auf Pyrolyse (Zersetzung einer Substanz durch Hitze) zurückgreifen – Gummi besteht aus vernetzten Molekülen, die nicht in Lösemitteln aufschließbar sind. Steins Team setzte Filterscheibchen aus hitzebeständigem Quarz ein, stachen aus den belegten Proben mit Quarzglasröhrchen winzige Scheibchen aus. Unter einem Schutz- und Spülgasstrom aus Helium bei 200 Grad von störenden Beimengungen befreit („Thermo-Desorption“), wurden diese in einer Platindraht-Wendel zwei Minuten lang auf 800 Grad Celsius erhitzt.
In einer „Kaltaufgabe“ bei minus 100 Grad aufgefangen und per Gas-Chromatografie getrennt, zeigen sich die im Pyrolyse-Produkt enthaltenen Stoffe als charakteristische „Peaks“ in einer Messkurve, die Massenspektrometrie ermittelt hochpräzise die Anteile der Leitsubstanzen.
In der Auswertung lag der Anteil des Gummiabriebs an den TSP-Staubproben aus Wiesbaden und Darmstadt bei rund 3,5 Prozent – unter Berücksichtigung der städtischen Hintergrundbelastung entspricht dies bei verkehrsbedingtem Staubaufkommen einem Anteil von sieben Prozent und damit fast dem Mittel der Modellrechnungen (acht Prozent). Ebenfalls erwartungsgemäß lag der Reifengummi-Anteil an Arbeitstagen höher als am Wochenende.
Allerdings lag der nachgewiesene kritische Fein-Anteil (PM₁₀) mit durchschnittlich 0,5 Prozent (0,1 Mikrogramm pro Kubikmeter Luft) weit unter jeder Prognose – und im Bereich des lungengängigen Feinstaubs PM_2,5 blieb der Anteil des Reifenabriebs gar unter der Nachweisgrenze. Reifen-Partikel sind eben einfach größer als angenommen.