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Wissen & Umwelt

"Vier Wege" zum Auspuff

Die Entwicklung des Drei-Wege-Katalysators verringerte den Ausstoß schädlicher Abgase drastisch. Ab 2017 sollen Autos mit Benzinmotoren noch einen vierten Weg dazu bekommen.

Dicker, schwarzer Auspuffrauch. Autos als "Dreckschleudern". Seit dreißig Jahren gehört das der Vergangenheit an. Denn 1989 machte die damalige Bundesregierung den Einbau von Katalysatoren in Fahrzeuge mit Benzinmotoren zur Pflicht.

Drei-Wege-Katalysator reloaded

Ursprünglich handelte es sich dabei um Drei-Wege-Katalysatoren. Die Wege beschreiben die chemischen Reaktionen, die zum Abbau der schädlichen Abgase ablaufen. Bei der Verbrennung von Benzin entstehen Stickoxide (NOx), Kohlenmonoxide (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) und Rußpartikel. Auf dem Weg Richtung Auspuff reagieren sie mit Edelmetallpartikeln auf einer porösen Keramikstruktur – dem wesentlichen Teil des Katalysators. Die Stickoxide werden in Kombination mit Kohlenmonoxid zu Kohlenstoffdioxid und Stickstoff reduziert. Kohlenmonoxid und Sauerstoff oxidieren zu Kohlenstoffdioxid. Kohlenwasserstoffe oxidieren mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Die Reaktionen laufen simultan am gleichen Ort ab. Die Edelmetalle sind katalytisch aktiv, gehen aber aus den Reaktionen unverändert hervor.

Infografik Der Vier-Wege-Katalystator

Um auch den Ausstoß der Rußartikel zu verhindern, waren bislang separate Partikelfiltersysteme notwendig. Der Chemiekonzern BASF hat nun das Partikelfiltersystem mit dem Drei-Wege-Katalysator kombiniert: zum Vier-Wege-Katalysator. "Wir haben diese Technologie seit ungefähr vier bis fünf Jahren weiterentwickelt", erklärt Klaus Harth, verantwortlich für die Forschung an Automobil-Katalysatoren bei BASF.

"Es ist nicht so, dass es etwas grundlegend Neues wäre", weiß auch der Abteilungsleiter für Hochtemperaturseparation und Katalyse am

Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS)

, Ralf Kriegel. Trotzdem hält er die Entwicklung des Vier-Wege-Katalysators für enorm anspruchsvoll: "Man muss sehr viel Know-How reinstecken, um die ganzen Beschichtungstechnologien zu realisieren."

Vier-Wege-Katalysator

Die verschiedenen Beschichtungen lösen jeweils eine andere chemische Reaktion aus

Keramische Einbahnstraßen

Der Aufbau der Keramikstrukturen ermöglicht die Kombination der beiden Systeme in nur einem Bauteil. Die Kanäle, durch die das Abgas strömt, sind wechselseitig geschlossen - Einbahnstraßen sozusagen. Die Rußpartikel müssen durch die poröse Keramikwand. Dort bleiben sie hängen und verbrennen durch die hohen Temperaturen zu Kohlenstoffdioxid. Die Verbrennung gewährleistet dazu, dass der Auspuff nicht verstopft oder der Druck zu sehr ansteigt. Dieser Vorgang läuft komplett automatisch ab, so Kriegel: "Mithilfe von Software und dem real gemessenen Druckanstieg kann man vorhersagen, an welchem Punkt man wieder ein Abbrennen des gebildeten Rußes einleiten muss."

Der neue Katalysator funktioniert allerdings nur für Benzin- und nicht für Dieselmotoren, erklärt Harth: "Das Charakteristikum eines Dieselmotors ist, dass er mit einem Überschuss an Luft betrieben wird. Man hat eine andere Zusammensetzung des Gemisches, mit dem der Motor betrieben wird. In Dieselfahrzeugen ist es heute schon üblich, dass man katalytische Filter benutzt. Aber man braucht noch weitere Komponenten, um zum Beispiel Stickoxide zu entfernen. Man kann beim Dieselmotor nicht alles in eine Komponente packen."

Vier-Wege-Katalysator

Herzstück des Vier-Wege-Katalysators: wechselseitig geschlossene Kanäle aus Keramik

Weiter optimierbar

Der Vier-Wege-Katalysator ist noch nicht das Ende der Entwicklung. "Man versucht die Katalysatoren leistungsfähiger zu machen. Mit weniger Edelmetallen soll die gleiche Reinigungswirkung erzielt werden", so Harth. Aber nicht nur in Bezug auf das verwendete Material gibt es neue Ansätze zur Verbesserung. "Es gibt neue Konzepte, die darauf abzielen, dass der Katalysator nach zwei bis drei Sekunden den vollen Umsatz erreicht", erklärt Kriegel. "Ein Beispiel wäre, den Katalysator nicht einfach nur mit Abgas aufzuheizen, sondern direkt durch die Batterie. Eine zweite Möglichkeit wäre die Anregung durch Mikrowellen."

Dazu sei noch jede Menge Grundlagenforschung notwendig. Wer in seinem Auto einen Vier-Wege-Katalysator haben möchte, muss sich allerdings noch ein wenig gedulden, sagt Harth: "Es gibt bislang noch keine Fahrzeuge zu kaufen, die einen solchen Katalysator enthalten würden. Mit solchen Serien rechnet man ab 2017." Dann können sich Autofahrer über effizientere und platzsparendere Katalysatoren freuen.

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