Schaumstruktur statt Wabenform 05.04.2013, 13:24 Uhr

Katalysatoren werden kleiner, besser und billiger

Schweizer Wissenschaftler entwickeln eine neue Abgasreinigungsanlage, die die strenge Norm Euro 6 für Dieselfahrzeuge erfüllt.

Dieser Wabenkatalysator aus einem Rennwagen gab den Empa-ForscherInnen den Anstoss, den Schaumkat zu entwickeln: Der Monolith ist in einem kleinen Bereich geschmolzen, direkt daneben aber unversehrt, was auf eine schlechte Verteilung der Abgase hinweist.

Dieser Wabenkatalysator aus einem Rennwagen gab den Empa-ForscherInnen den Anstoss, den Schaumkat zu entwickeln: Der Monolith ist in einem kleinen Bereich geschmolzen, direkt daneben aber unversehrt, was auf eine schlechte Verteilung der Abgase hinweist.

Foto: Empa

Mit einem neuartigen Katalysatorkonzept erfüllen Schweizer Forscher die Anforderungen der Abgasnorm Euro 6, die im September 2014 in Kraft tritt. Für Neuwagen sinken damit die Grenzwerte für Stickoxide (N0x), Kohlenwasserstoffe (HC) und Ruß. Herkömmliche Katalysatoren für Dieselfahrzeuge sind damit überfordert. Ihre aktive Oberfläche, an der NOx und HC in harmlose Stoffe aufgespalten werden, ist zu klein. Sie einfach vergrößern geht auch nicht, weil dann erheblich mehr teure Edelmetalle benötigt würden.

Keramikschaum verwirbelt Abgasstrom

Aus dieser Zwickmühle hat die Empa einen Ausweg gefunden, eine interdisziplinäre Forschungs- und Dienstleistungsinstitution für Materialwissenschaften und Technologieentwicklung an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich. Statt der heute üblichen wabenförmigen Struktur setzen sie auf Keramikschaum. Dessen unregelmäßige Struktur sorgt dafür, dass der Abgasstrom verwirbelt wird und sich über den gesamten Querschnitt verteilt. Bei wabenförmigen Strukturen wählen die Abgase den Weg des geringsten Widerstandes. Der befindet sich im Zentrum. Daher verschleißen heutige Katalysatoren zuerst in der Mitte, während die Außenbereiche noch aktiv sein könnten.

Die unregelmässige Struktur des Keramikschaumträgers verwirbelt die Abgase und spart dadurch katalytisches Edelmetall.

Die unregelmässige Struktur des Keramikschaumträgers verwirbelt die Abgase und spart dadurch katalytisches Edelmetall.

Quelle: Empa

Die Empa-Forscher der Abteilung Verbrennungsmotoren unter der Leitung von Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler kamen auf die schaumige Idee, als sie den Katalysator eines Rennwagens analysierten. Im Zentrum war er durch Überlastung zerstört, während der übrige Teil noch funktionierte.

Wie bei einem Waben-Kat wird die Oberfläche des Schaums mit Edelmetallen wie Platin, Rhodium und Palladium beschichtet, die den katalytischen Effekt bewirken.

Da sich das Abgas gleichmäßig verteilt, also alle Edelmetallpartikel gleichermaßen gefordert werden, kommen die Empa-Forscher trotz höherer Entgiftungsleistung mit einer kleineren Gesamtoberfläche aus, sodass sie den Kat erheblich verkleinern können. Weiterer Nebeneffekt: Die Edelmetallmenge lässt sich um zwei Drittel reduzieren. Damit sinken die Herstellungskosten.

Die Industrie ist mit von der Partie

Anfangs war der Schaum so brüchig, dass er den hohen Belastungen im Fahrbetrieb nicht lange standhielt. Dieses Problem löste die Empa-Abteilung Hochleistungskeramik. Derzeit arbeiten die Forscher mit Hilfe von Computersimulationen an der optimalen Schaumstruktur, damit sich die Abgase tatsächlich völlig gleichmäßig über den gesamten Querschnitt verteilen.

Seit eineinhalb Jahren ist ein Dieselfahrzeug des Energieversorgers Industrielle Werke Basel mit einem Prototyp des Empa-Kats unterwegs. Der belgische Katalysatorhersteller Umicore und Fiat Powertrain Technologies könnten die ersten sein, die die Schweizer Technik nutzen. Beide Unternehmen sind an dem Projekt beteiligt.

Von Wolfgang Kempkens
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