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Altbewährt vs. Innovativ: links ein Monolithkat, rechts
ein Schaumkat. |
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Herkömmliche Abgaskatalysatoren haben eine regelmässige
Wabenstruktur. Auf dem aus einem Stück bestehenden
Keramikträger (Monolith) ist die katalytisch aktive Schicht
aufgebracht, die wertvolle Edelmetalle wie Platin, Rhodium oder
Palladium enthält. Die heissen Abgase durchströmen den
Katalysator ohne Turbulenzen. Da der Grossteil des Abgasstroms den
Kat im Zentrum passiert, verschleisst der zentrale Teil schneller,
während die Randbereiche des Monolithkats mehr oder weniger
ungenutzt bleiben. Um dessen Lebensdauer zu verlängern, muss
er also möglichst lang sein. Länger bedeutet aber mehr
Oberfläche und somit einen höheren Edelmetallgehalt
– also auch einen höheren Preis. |
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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. |
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Effizienz entsteht an der Empa
Empa-Forscher der Abteilung «Verbrennungsmotoren» unter
der Leitung von Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler lösten das
Problem mit einer Innovation. Das Team arbeitet an einem
Katalysatorträger aus Keramikschaum, der den
Monolith-Träger künftig ersetzen soll. Denn: Bei gleicher
Katalysatorwirkung ist der neuartige Kat wesentlich
günstiger. |
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Das
Geheimnis liegt in seiner Struktur. Im Gegensatz zum
Monolith-Katalysator ist der Keramikschaum unregelmässig
aufgebaut, wie ein Schwamm. Die einströmenden Abgase geraten
dadurch in Turbulenzen und werden gleichmässig im Katalysator
verteilt. Obwohl der Schaumkat eine kleinere Oberfläche hat
als der Monolith, wird diese Oberfläche dadurch viel
effizienter genutzt. Das Ergebnis: die gleiche katalytische Wirkung
wie ein gewöhnlicher Katalysator mit nur einem Drittel des
teuren Edelmetalls – und einem halb so langen
Katalysator. |
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Trotz
der Brüchigkeit des Keramikschaums gelang es den ForscherInnen
in Zusammenarbeit mit der Empa-Abteilung
«Hochleistungskeramik» die mechanische Festigkeit des
Schaumkats um ein Vielfaches zu steigern. Aktuell arbeiten die
WissenschaftlerInnen daran, die Struktur des Schaums zu optimieren.
Der Schaumträger hat einen höheren Luftwiderstand und
verursacht somit einen leicht erhöhten Treibstoffverbrauch
gegenüber einem Monolith-Träger. Mit aufwändigen
Computersimulationen entwickelt das Empa-Team Schaumstrukturen, die
den Luftwiderstand senken, ohne die erwünschten Turbulenzen
darin zu mindern. |
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Die
unregelmässige Struktur des Keramikschaumträgers
verwirbelt die Abgase und spart dadurch katalytisches
Edelmetall. |
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Obwohl
die Herstellung des Schaumkats vorerst noch im kleinen Rahmen an
der Empa stattfindet, besteht bereits Interesse seitens der
Industrie. So sind der belgische Materialtechnologie-Konzern
Umicore und Fiat Powertrain Technologies am Projekt beteiligt. Auf
dem Gelände der Empa wird der Schaumkat in einem
Diesel-Testwagen geprüft. Seit eineinhalb Jahren ist auch ein
Auto der Industriellen Werke Basel (IWB) mit dem Empa-Katalysator
unterwegs, um die Innovation im Langzeittest über mindestens
150‘000 Kilometer zu testen. |
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Günstige Katalysatoren trotz strengerer
Abgasnormen
Der Schaumkat wäre vor allem für kleine Dieselfahrzeuge
eine ideale Alternative zum Monolith. Ab September 2014, wenn die
Euro-6-Abgasnorm in Kraft treten wird, müssen die
Schadstoffemissionen von Dieselmotoren merklich sinken.
Insbesondere wird dann ein Stickoxid-Katalysator obligatorisch.
Zusammen mit dem Partikelfilter und dem gewöhnlichen
Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxid-Katalysator verteuert dies die
Abgasreinigung bei Dieselautos erheblich. Mit dem stark reduzierten
Bedarf an Edelmetallen kann der Empa-Schaumkat dem
entgegenwirken. |
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