„Experten sind sich einig, dass es noch nie in den vergangenen Jahrzehnten eine so geringe Feinstaubbelastung gab wie heute“ , sagt Prof. Dr. Ulrich Riebel vom Lehrstuhl Mechanische Verfahrenstechnik der Brandenburgischen Technischen Universität (BTU) Cottbus. „Gewachsen ist allein die Sensibilität der Menschen für das Thema.“ Riebel muss es wissen, denn das exakte Messen von Staubpartikeln bis zu einer Größe von zehn Nanometern – das sind zehn Millionstel Millimeter – gehört für ihn zum wissenschaftlichen Alltag. Gemeinsam mit seinem Doktoranden Yves Gorat Stommel entwickelte er ein Verfahren, das die Messung von Stäuben wesentlich vereinfacht.
Laien vermuten meistens, dass Stäube einfach in Filtern gefangen und gewogen werden. Aber es würde Tage dauern, um beim extrem geringen Gewicht feinster Stäube eine technisch wägbare Menge zu erhalten. Außerdem wäre keine Unterscheidung nach Partikelgröße möglich. Es sind aber gerade die feinsten unter den Stäuben, die als besonders gesundheitsgefährdend gelten. Nur mit komplizierter Messtechnik lässt sich die aktuelle Staubbelastung, unterteilt nach Partikelgröße, rasch feststellen.
Im Messgerät selbst werden die Partikel durch ein elektrisches Feld separiert. Sie wandern dazu durch eine rohrartige Strecke, deren oberer Teil die positiv und deren unterer Teil die negativ geladenen Teilchen anzieht. Dabei kommen die Partikel in Abhängigkeit von ihrer Größe und der angelegten Spannung unterschiedlich weit, ehe sie sich ablagern. Im unteren Rohrabschnitt befindet sich eine Öffnung, durch die Partikel zum „Zählappell“ austreten können. Abhängig von der jeweils gewählten Spannung schaffen es unterschiedlich große Partikel bis dorthin – aber niemals alle Stäubchen einer Größe.
Deshalb würde das Messgerät, das elektrischer Mobilitätsanalysator genannt wird, gar nichts taugen. Aber es gibt ein durch viele Versuche abgesichertes Modell der Verteilung von Staubpartikeln beziehungsweise ihrer Ladungsgrößen. Danach wird die gemessene Partikelzahl mit einem festen Wert multipliziert – fertig ist das Endergebnis.

Damit Mathematik funktioniert
Das klingt alles noch schön einfach, aber die Welt des Messens ist eine komplizierte. Die Modellrechnung funktioniert nämlich nur, wenn die Teilchen wohl geordnet sind: Es muss eine „Normalverteilung“ der Ladungsträger vorhanden sein. Diese Verteilung der positiven und negativen Teilchen stellt sich aufgrund der natürlichen Radioaktivität auch von selbst her, aber das dauert viele Stunden. Zum Messen muss dieser Vorgang beschleunigt werden. Dazu dienen derzeit noch radioaktive Ionen-Quellen, die Alphastrahlung (setzt Heliumkerne frei) oder Beta-strahlung (setzt Elektronen frei) aussenden. Die Strahlungsteilchen stoßen mit Luftpartikeln zusammen und zerlegen sie in positiv und negativ geladene Ionen. So entstehen gleich viele positive und negative Ladungsträger, die sich auf die Staubpartikel setzen und so erst deren „elektrische Zählung“ und Berechnung ermöglichen.

Bisher nur radioaktive Quelle
Das Problem an diesem Verfahren ist die radioaktive Quelle. Ihre Handhabung ist an strenge Vorsichtsmaßnahmen gebunden, die Behörden verlangen regelmäßige Qualifikationsnachweise von allen, die damit umgehen. Zudem muss für jede Messstelle eine Genehmigung vorliegen. Außerdem ist die Technik teuer. Eine Krypton-85-Quelle kostet zum Beispiel rund 8000 Euro.
Das alles waren für Riebel und Stommel gute Gründe, nach einer Alternative zu suchen. Sie entwickelten ein Gerät, das die Normalverteilung der Ladungen elektrisch bewirkt. Wie die Sonne bei ihrer Korona-Entladung stellen sie eine Ionen-Wolke her. Was die Sonne aber durch extrem hohe Temperaturen erreicht, bewirkt der Cottbuser „elektrische Neutralisator“ mit einem Wechselfeld. 1000-mal in der Sekunde wechselt die Spannung ihr Vorzeichen. Das Ergebnis ist wie bei einer Leuchtstoffröhre. Sichtbar wird es durch ein feines bläuliches Licht, das sich wie eine Wolke um eine Nadel legt, die von einem dicken Metallring umgeben ist. Die hohe wechselnde Feldstärke zerreißt die Luftmoleküle in gleich viele positive und negative Ionen, die sich nun sofort im Huckepack auf die Staubpartikel setzen und so die nachfolgende elektrische Separierung und Zählung ermöglichen.
Riebel und Stommel haben ihre Entwicklung zum Patent angemeldet und zur Vermarktung „Brainshell“ eingeschaltet. Das ist eine Abteilung in der Zukunfts-Agentur Brandenburg (ZAB), die Anfang 2002 ins Leben gerufen wurde, um Erfindungen von Hochschul-Wissenschaftlern praxiswirksam zu machen. Die Exklusiv-Lizenz zur Verwertung der Cottbuser Erfindung ist von der US-Firma TSI aus St. Paul (Minnesota) erworben worden.

Hintergrund „Brainshell“ hilft Erfindungen vermarkten
Zu Brandenburgs Zukunftsagentur (ZAB) gehört seit Anfang 2002 der Bereich „Brainshell“ . Er ist auf die Vermarktung von Erfindungen spezialisiert, die an brandenburgischen Hochschulen gemacht werden. Bisher hat „Brainshell“ 150 Projekte begutachtet.
55 Patente wurden angemeldet. Auf der Basis dieser Patente konnten 14 Lizenzen vergeben werden, darunter die im Bereich der Feinstaub-Messung. Fünf Lizenzen entfielen auf die BTU in den Bereichen Verfahrens- und Umwelttechnik sowie Baustoffe.