Feinstaub

Von der Radioaktivität her kennen wir das ja schon: Für die Bevölkerung sind Kontaminationen dann am schlimmsten, wenn sie Lebensmittel betreffen. Das liegt daran, dass über die Ingestion (Nahrungsaufnahme) die zerstörerische Wirkung der Strahlung den empfindlichen Zellen am nächsten kommen kann. Wenn wir nun überlegen, welches das wichtigste Lebensmittel für den Menschen ist und die Bewertung an der Zeit festmachen, die wir ohne dieses Lebensmittel auskommen, dann wird schnell klar, dass die Luft das für den Menschen wichtigste Lebensmittel ist. Wenn wir nun über die Luftqualität nachdenken, dann stellen wir fest, dass sie bereits auch ohne kerntechnische Störfälle immer wieder einen gewaltigen Verschmutzungsgrad erreicht, was in Ballungsgebieten sogar so weit geht, dass gesundheitliche Auswirkungen direkt erkennbar werden.

Nun gibt es in den modernen Zivilisationen ganz historisch bedingt die Vorstellung, dass man den gasförmigen "Müll" einfach durch einen Kamin oder einen Auspuff von dem Ort wegleiten kann, an dem man ihn zum eigenen Wohle erzeugt. Was danach damit passiert ist leider vielen Menschen egal. In der Zwischenzeit haben Forscher allerdings erkannt, dass vor allem abgeleitete Verbrennungsgase (im Besten Fall Wasserdampf und CO2) nicht nur aus einem Gas allein bestehen, sondern auch eine gehörige Menge an Schwebstoffen enthalten. Diese Partikel mit einem Durchmesser unter 2.5 Mikrometer können die Filterung im Nasen und Bronchialbereich überwinden und gelangen, weil sie klein genug sind, tief in die Lunge und werden dort deponiert. Da sich an diese Partikel nun oft jede Menge Giftstoffe angelagern oder manchmal diese Partikel auch selbst aus giftigen Substanzen bestehen, gelangt diese Kontamination direkt auf das empfindliche Lungengewebe. Im Lungengewebe wird die giftige Fracht dann ähnlich wie der Sauerstoff vom Blut aufgenommen oder löst dort direkt Entzündungsreaktionen aus. Und ganz ähnlich wie bei der Exposition gegenüber radioaktiven Strahlungsdosen hat der gesundheitliche Schaden bei dauerhafter Exposition eine enorme Latenzzeit und tritt nur mit einer gewissen Statistik auf, so dass die Kausalität ziemlich verschleiert wird. Und genau wie die radioaktive Strahlung (und sonstige Kernstrahlung) ist dieser im Deutschen etwas verharmlosend als Feinstaub bezeichnete "Müll" meistens unsichtbar. Erst wenn die Konzentrationen richtig krass werden, können wir ihn als Dunstglocke wahrnehmen. Laut WHO haben die gefährlichsten Partikel eine Größe von weniger als 2.5 Mikrometer. Messtechnisch bedingt war der Nachweis dieser Partikel bisher sehr schwierig und so hat man sich darauf verständigt, dass man stellvertretend zunächst auch die Partikel mitmisst, die bis 10um an aerodynamisch wirksamen Durchmesser haben (PM10 genannt), da es eine gewisse Korrelation für das gemeinsame Auftreten beider Partikelgrößenklassen gibt. Im Englischen ist die Begrifflichkeit etwas sachlicher, dort heist Feinstaub "Particulate Matter" und deswegen ist die Abkürzung auch PM. Meint man nun Feinstaub mit Partikeln, die kleiner sind als 2.5um, sagt man im Englischen "PM2.5" dazu.

Moderne Motoren und moderne Heizungs- bzw. Verbrennungsanlagen sind in der Regel so gut gefiltert, dass sie keinen Grobstaub bzw. Ruß emittieren. Was den Kamin oder Auspuff verläßt, ist nur noch Feinstaub oder ist völlig gasförmig. Daher sehen diese Abgase zunächst mal auch sehr sauber aus. Obwohl sich nun die Hersteller von Verbrennungsmotoren, vor allem bei Dieselmotoren oder auch bei Heizungs- und industriellen Verbrennungsanlagen alle Mühe geben, dass die Abgase sauber aussehen, der Feinstaub ist so gut wie nicht eliminierbar, höchstens nur messbar - sofern man nachmisst.

Krankenhäuser stellen aber regelmäßig und statistisch deutlich einen Anstieg an Krankenaufnahmen wegen Atemwegsproblemen fest, immer dann wenn witterungsbedingt im Winter die Feinstaubkonzentration ansteigt. Das sind allerdings lediglich die spontanen gesundheitlichen Reaktionen, meist von bereits vorgeschädigten Personen. Der längerfristige, viel dramatischere Effekt ist der statistisch sehr deutlich nachgewiesene Anstieg der Sterblichkeit in den Gebieten wo dauerhaft eine höhere Feinstaubbelastung vorherrscht. Das sind vor allem die Zentren von Großstädten mit viel Verkehr und vielen Heizungsanlagen.


Aus gegebenem Anlass

Nicht erst nach dem Verwaltungsgerichtsurteil in Stuttgart wissen wir, dass die Manager der Autokonzerne mit Hilfe der entsprechenden Zulieferindustrie durch Unehrlichkeit und mit krimineller Energie bei den Angaben zum Schadstoff-Ausstoß von PKWs -vor allem solchen mit Dieselmotor- viele Kunden betrogen und den Ruf der gesamten deutschen Automobilindustrie ruiniert und für gesundheitsgefährdende Luft in großen Städten gesorgt haben.

Es könnte aber auch auf der Gegenseite, unten denen, die für saubere Luft kämpfen und herausgefordert durch die schiere Übermacht der Industrielobby, Versuche geben, die Wahrheit zu verdrehen und völlig unseriös und vorsätzlich mit falschen Daten Stimmung zu machen und Panik unter der Bevölkerung zu verbreiten um das eigene politische Ziel durchzusetzen. Vor allem bei den Medien-Aktivitäten des OK Lab, das wohl das größte Feinstaub-Messnetzwerk als Citizen Science Projekt im Open Data Bereich betreibt, besteht der Verdacht, dass die Sensoren relativ ungenau sind und die Daten nicht auf seriöse Weise zu Aussagen verwendet werden können, die in den Medien gemacht werden.

Es darf nicht sein, dass nun Open Data und Citizen Science im erbitterten Gefecht um die Luftreinhaltung dadurch in Verruf geraten, dass die Messdaten und Auswertungen zu den OK Lab Sensoren ähnlich falsch sind, wie die der Autobauer zu den Abgaswerten der PKW.

Es sicher selbsterklärend, dass die OK Lab Sensoren und andere, auch auf dieser Seite mit Anleitungen unterstütze Feinstaubsensoren für den Eigenbau, keine präzisen Profi-Instrumente sind, die gerichtsfeste Daten liefern. Dennoch haben auch Citizen Scientists eine Verantwortung gegenüber der Bevölkerung, dass die in entsprechenden Projekten erzeugten Daten auch richtig interpretiert werden können. Dazu gehört auch, dass eine Einschätzung zur möglichen Messunsicherheit gemacht wird und die Anwender der Daten deutlich genug darauf hingewiesen werden. Nun ist die Bestimmung der Messunsicherheit bei Partikelmessungen selbst für Fachleute schwer. Dennoch ist es möglich ein Gefühl zu vermitteln, wie sehr man den Daten trauen kann, indem man die möglichen Quellen der Messunsicherheit benennt. Diese Aufstellung über die bis dato bekannten Quellen bei den OK Lab Sensoren sei hiermit in dem folgenden Dokument gemacht. Diese Aufstellung gilt in ähnlicher Weise auch für alle Anleitungen mit PM-Sensoren vergleichbarer Bauart und dem low-cost PM-Messgerät auf dieser Webseite.


Mögliche Quellen der Messunsicherheit bei Low-Cost PM-Sensoren (z.B. OK Lab Sensor)

Eigenbau Messstationen für die PM2.5 bzw. PM10-Massenkonzentration in Stuttgart

Messstation Degerloch (Waldau)


zugehörige Luftfeuchte am Sensorstandort
zugehörige Temperatur am Sensorstandort

Daten der Messstationen:
Sensor: SEN0177 von DfRobot (HK-A5 von Bjhike)
Feuchte und Temperatur: Adafruit Sensiron SHT31-D Temperature & Humidity Sensor Breakout
Controller: Arduino

Messstation des OK Lab in Degerloch - Obere Weinsteige


Minutengenaue Daten Feinstaubklasse PM10


Gleitender Mittelwert über 24 Stunden Feinstaubklasse PM10


relative Luftfeuche
Hinweis: Bei einer Luftfeuchte > 80% arbeitet dieser Feinstaubsensor nicht mehr zuverlässig (kein Nebelschutz)

Daten der Messstationen:
Sensor: SDS011 von Nova Fitness (nebelgeschützt)
Feuchte und Temperatur: DHT22
Controller: ESP8266

Messstation des OK Lab in Degerloch - Waldau


Minutengenaue Daten Feinstaubklasse PM10 (externer Link zu madavi.de)


Gleitender Mittelwert über 24 Stunden Feinstaubklasse PM10 (externer Link zu madavi.de)

Daten der Messstationen:
Sensor: SDS011 von Nova Fitness
Feuchte und Temperatur: DHT22
Controller: ESP8266


Stuttgart, die Feinstaub-Hauptstadt

Stuttgart ist in Deutschland bekannt für die Automobilindustrie. Hier wurde der Verbrennungsmotor erfunden und große Automobil-Hersteller und Zulieferer für die Automobilindustrie haben hier ihren Sitz. Stuttgart ist aber auch für seine Topographie bekannt, die Stadt liegt am Rand des schwäbischen Schichtstufenlands in einem Talkessel, geografisch redet man auch von der Stuttgarter Bucht. Umgeben ist die Stadt ringsherum von Hügelketten, die teilweise mit Wein bebaut werden oder bewaldet sind, deswegen der Slogan "Stuttgart die Stadt zwischen Wald und Reben". Seit aber die EU eine Richtlinie mit Grenzwerten zum Feinstaub erlassen hat, die von den Mitgliedsstaaten in nationales Gesetze umgesetzt werden musste, wurde Stuttgart schnell noch einmal bekannt. Auf Grund der besonderen Topographie enstehen sehr häufig Witterungsverhältnisse, die den Feinstaub regelrecht im Talkessel einsperren und so kräftig aufkonzentrieren. Daher werden in Stutgart die Feinstaub-Genzwerte an besonders vielen Tagen im Jahr überschritten. Und so hat Stuttgart einen neuen Spitznamen bekommen, es ist die "Feinstaub-Hauptstadt" in Deutschland. Das Problem ist aber in anderen Großstädten ähnlich präsent, welche die Topographie dann schnell mit etwas mehr Verkehr wieder wettmachen können.


Diese 3 Bilder stammen von den 3 Webcams auf dem Stuttgarter Fernsehturm (externer Link zu www.fernsehturm-stuttgart.de) während einer starken Inversionswetterlage am 21.12.2016 um etwa 15:00h. Die Kameras sind 1. nach Süden (Degerloch), 2. auf das Zentrum und 3. den Osten von Stuttgart (Frauenkopf-Funkturm) gerichtet. Der Fernsehturm selbst steht im Südosten von Stuttgart. Es herrschte an diesem Tag eine windstille Hochdruckwetterlage, in Degerloch unterhalb des Fernsehturms betrug die Temperatur etwas unter Null Grad Celsius, die relative Luftfeuchte lag bei etwas über 70%. Die etwas kältere und schwerere Luft war über Nacht in den Talkessel, in dem die City von Stuttgart liegt, abgesunken. In vertikaler Richtung fand so gut wie kein Luftaustausch mehr statt, so dass sich die Luftschadstoffe des Verkehrs und der Heizungen am Vormittag massiv aufkonzentrierten. Gegen 15:00h hatte sich die Dunstglocke so weit aufgeheizt, dass sich die deutlich erkennbare Luftmassengrenze auf um die 500m Höhe anhob, und knapp unter dem Aussichtskorb des Fernsehturms zu liegen kam (auf etwas mehr als 650m über Meeresspiegel). Der leicht bewegliche Feinstaub erreichte um diese Zeit schließlich auch die Höhen von Degerloch.

In Stuttgart wurde Feinstaub-Alarm ausgelöst, Autobesitzer wurden gebeten nicht mehr mit dem Auto ins Zentrum zu fahren und die Bewohner sollten auf das Befeuern ihrer "Komfort-Kamine" verzichten. Die Messstation im Zentrum am Neckartor lag zu diesem Zeitpunkt mit dem gleitenden Mittelwert der PM10 Konzentration über 24 Stunden bei etwa 75ug/m^3 also auch wieder deutlich über dem Grenzwert von 50ug/m^3. Die Eigenbau-Messstation in Degerloch, aufgebaut aus einem Laser-Streulicht Feinstaubsensor, zeigte folgendes Diagramm für die PM2.5 Konzentration um den 21.12.16 herum:


Deutlich kann man den massiven Anstieg mit einer Höhe von 80ug/m^3 am Nachmittag des 21.12. erkennen, der durch diese Wetterlage ausgelöst wurde. Dieser Graph zeigt aber auch, dass es heute möglich ist, im Eigenbau Messgeräte herzustellen, die den Feinstaub eindeutig nachweisen können, auch wenn die Genauigkeit vielleicht noch nicht ganz an die amtlichen Messungen heranreicht.


Die Feinstaubkarte des Umweltbundesamts am 21.12.16 (externer Link zu www.umweltbundesamt.de)


Feinstaub und die natürliche Radioaktivität

Vergleicht man nun einmal den mit dem Eigenbau Messgerät in Degerloch gemessenen Graphen mit den Daten der beiden Feinstaub-Messtationen der Stadt Stuttgart am Neckartor und in Bad Cannstatt, dann sieht man eine interessante Korrelation. Die Graphen der Stadt zeigen zwar "nur" die PM10 Konzentration, dennoch liefern die Stationen Werte, die einen Zusammenhang zeigen. Man erkennt, dass das am 24.12. durchgezogene Tiefdruckgebiet mit Wind und Sprühregen, die Luft nach dem tagelangen Feinstaubalarm in Stuttgart wieder ordentlich gereinigt hat. In der Phase des Peaks aber ähnelt der Kurvenverlauf in Bad Cannstatt deutlich dem in Degerloch. Am Neckator hat der PM10 Konzentrationsverlauf keinen so schön ausgeprägten Peak für kurze Zeit sondern bleibt für längere Zeit auf hohen Werten flach. Das läßt sich aber damit erklären, dass der Verkehr am Neckartor eher als Quelle für Feinstaub gesehen werden muss, während Degerloch und Cannstatt den Feinstaub mehr als Folge der Ausbreitung bei ungünstigen Wetterlagen abbekommen, dann z.B. wenn sich die Dunstglocke aus dem Zentrum ausbreitet.



Feinstaub und natürliche Radioaktivität hängen eng zusammen. Das macht der Blick auf den Graphen der Aerosol-Messstelle (externer Link zu um.baden-wuerttemberg.de) für aerosol-gegebundene Radioaktivität auf dem Fernsehturm am 21.12.16 um 15:00h sehr deutlich klar. Dort wird nämlich nicht nur das Caesium-137 und das Jod-131 als Leitnuklide für einen Unfall in einem Kernkraftwerk gemessen sondern auch das radioaktive Isotop Blei-214, das ein Zerfallsprodukt des in Stuttgart doch nicht ganz so seltenen Radons ist. Wie ja bekannt wurde, sind die Sandsteine des Welzheimer Walds und in der Stuttgarter Bucht (inklusive des Killesbergs) ein wenig Uran-haltig. Das radioaktive Edelgas Radon ist ein Zerfallsprodukt des natürlichen Uran in der Gegend. Und zwei der berühmten "Radontöchter" also die Zerfallsprodukte des Radon, die auf Grund ihrer Gammastrahlung leicht nachweisbar sind, sind das Blei-214 und das Bismut-214. Nun ist es aber so, dass sich beim Zerfall des Radon die Zerfallsprodukte elektrisch aufladen und aufgrund der elektrostatischen Anziehungskraft gerne an Aerosole anlagern. Damit werden die Aerosole radioaktiv und damit auch der Feinstaub. Und das sieht man nun auf dem Graphen der Aerosol-Messstelle an dem Peak für das Blei-214 am 21.12.16 . Gemessen wird das übrigens mit einem automatisierten Aerosolsammler, einer Luftpumpe, die über einen Tag die Luft durch ein Feinstaubfilter pumpt, dessen Gammaaktivität spektroskopisch vermessen wird. Das Filter wird dann um 0 Uhr automatisch gewechselt. Im Prinzip kann man daher die Feinstaubkonzentration am Gang der natürlichen, aerosol-getragenen Radioaktivität erkennen. Diese wird auch wieder reduziert, wenn es dann mal regnet und die radioaktiven Aerosole aus der Luft ausgewaschen werden. Dabei kommt es dann zu einer "nassen Deposition". Das ist nichts anderes als der natürliche radioaktive Regenpeak, den man auch nach einer plötzlichen und kräftigen Regenschauer nach langer Trockenheit an einer Bodenmessstation für die Gamma-Ortsdosisleistung sieht.


In Panik braucht man angesichts der natürlichen Radioaktivität des Feinstaubs aber noch nicht ausbrechen. Ein Blick auf die Skala zeigt, dass die Radioaktivität während so eines Peaks nur knapp 10 Becquerel pro Kubikmeter Luft beträgt. Der Richtwert für Radon, der in Innenräumen nicht überschritten werden sollte beträgt laut EU dagegen 300Bq/m^3 (die WHO sagt etwas vorsichtiger 100Bq/m^3). Aber das macht schon sehr deutlich klar, wie sich äußerst gesundheitsschädliche Substanzen an den Feinstaub anlagern und transportiert können, so Huckepack tief in die Lunge gelangen können und dort schließlich deponiert werden, während ein normales Gas einfach wieder ausgeatmet werden würde. Diese Prozesse sind auch schon von den medizinischen Untersuchungen zum Tabakrauch und zur schädigenden Wirkung des Radon in Verbindung mit dem Feinstaub im Bergbau sehr gut untersucht und mittlerweile wohl bekannt.

Die Idee, die Transport-Mechanismen für Feinstaub und die Luftverschmutzung über die Radioaktivität des Feinstaubs zu bestimmen ist nicht neu und wurde zum Beispiel schon sehr schön für die Stadt Rom demonstriert.
Wer Interesse hat kann das z.B. in diesem Dokument ab Seite 151 (externer Link zu www-pub.iaea.org) nachlesen.
(C.Perrino, Natural Radioactivity from Radon Progeny as a Tool for the Interpretation of Atmospheric Pollution events
Proceedings of the IAEA conference on Sources and Measurements of Radon and Radon Progeny Applied to Climate and Air Quality Studies, Vienna 2012)


Ein einfaches Feinstaub-Messgerät für den Hausgebrauch


Dank der technologischen Innovationen auf dem Gebiet der elektronischen Sensoren, die vor allem im Feinstaub-geplagten China entstanden sind, ist die Herstellung eines Feinstaub-Messgeräts wirklich nicht mehr schwierieg. Hier eine Anleitung dazu:

Ein Feinstaub-Messgerät auf Arduino-Basis für die Feinstaubklassen PM10, PM2.5 und PM1.0

Und wenn nun die Bürger selbst ganz einfach nachmessen können, dann wird es auch nicht mehr ganz so einfach sein von der ganz sauberen Verbrennung oder dem Clean Diesel zu reden. So ein Messgerät zu bauen und vielleicht auch regelmäßig zu betreiben wäre doch schönes Projekt an Schulen, die ihre Schüler zur gesellschaftlichen Verantwortung und zum Schutz der Umwelt erziehen wollen.

Datenlogger für Feinstaubmessungen mit dem SDS011 von Nova Fitness


Es gibt auch günstige Alternativen zu den Angeboten von Robot-Zubehör Shops. So kann man, wenn man direkt über Internetmarktplätze wie Ali-Express in China bestellt, ganz brauchbare Laser-Streulicht Sensoren für um die 20$ bekommen. Aber es empfiehlt sich nur einzelne Sensoren zu bestellen, sonst bezahlt man wieder ne Menge Zollgebühren. Ein solcher Sensor ist der SDS011 von Nova Fitness, der auch Partikel bis herunter zu 0.3um detektieren kann. Das Datenformat ist ganz ähnlich zu dem des PMS1003 von Plantower bzw. dem HK-A5 von DfRobot.

Ein ganz einfaches Auswerteprogramm kann man unter Linux zusammenhacken, aber noch eleganter ist die Verwendung eines Arduino, dann ist es nämlich nur ein klein wenig Aufwand mehr, und man kann die Daten nicht-flüchtig auf einer SD-Karte speichern. Hier ist eine Beschreibung für die Datenauswertung des SDS011 Sensors und für einen Daten-Logger zu finden:

Arduino-basierte Auswertung von Messdaten und Data-Logging für den Feinstaubsensor SDS011 von Nova Fitness


Silvesterfeuerwerk - Der Feinstaub-Super-Gau


So einfach ist die Welt: Die Stadt bläst Entwarnung und am Himmel braut sich eine Feinstaubwolke zusammen, die seinesgleichen sucht. So geschehen an Silvester 2016 in Stuttgart. Werte die über hundert mal höher liegen als der Grenzwert, der einen Feinstaubalarm auslösen sollte. Aber an Silvester machen die Behörden gern eine Pause, das ist bekannt. Wenn man den Messgeräten Glauben schenken darf, und Fehlmessungen anzunehmen, dazu gibt es bisher kaum einen Grund, dann wäre Stuttgart bei "normalem" Feinstaubalarm fast so gut wie ein Luftkurort im Vergleich zur Sitution an Silvester. Wenn man dann noch die besondere Chemie der bunten Feuerwerksfarben bedenkt, und den Schätzungen des Umweltbundesamts glaubt, dass das Feuerwerk rund 15% des Jahresfeinstaubs durch den Verkehr darstellt, dann fragt man sich schon, warum es das Feuerwerk in Städten wie Stuttgart noch gibt. Aber vermutlich ist das wie mit dem Rauchen in Kneipen, da hat man damals auch gesagt, was ist schon eine Kneipe ohne Rauch - unvorstellbar!

Hier ein Bericht über die besondere Feinstaub-Situation zum Jahreswechsel 2016/2017 in Stuttgart:
Silvesterfeuerwerk in Suttgart - Der Feinstaub Super-Gau des Jahres 2016



Aber auch die Luft-Radioaktivität zeigte über die Jahreswende eine besonders auffällige Erhöhung, die interessanterweise wieder mit den Feinstaubtagen um die Jahreswende zusammenfällt (den speziellen Silvesternachtspeak mal außer acht gelassen). Nein - es war keine Wolke aus einem havarierten Kernkraftwerk und mit hoher Wahrscheinlichkeit scheiden auch die Raketen aus, die so schön bunt funkelten. Vielmehr muss man annehmen, dass es die ungewöhnlich kräftige Feinstaubwolke war, welche die Zerfallsprodukte des Radon aus den Sandsteinböden um Stuttgart "Huckepack" genommen hatte. Ein Vorgang, der durch das Hoch "Yörn" extrem begünstigt war. So gesehen ist die Radioaktivität ganz natürlichen Ursprungs - nur der Feinstaub als Träger der Radioaktivität ist "hausgemacht". Hier ein Bericht dazu:

Die Radioaktivität der Feinstaub-gesättigten Luft über Stuttgart zum Jahreswechsel 2016/2017

Interessant is auch, dass das Amt für Umweltschutz der Stadt (Abt. für Stadtklimatologie) eine Sondermessung zu Silvester gemacht hat (Messstation auf dem Schwabenzentrum) und ganz vergleichbare Ergebnisse festgestellt hat. Veröffentlicht wurde das auf einer
speziellen Seite für besondere Tagesgänge (externer Link zu www.stadtklima-stuttgart.de) zusammen mit Daten von Silvesterfeuerwerken voriger Jahre. Betrachtet man die dort abrufbaren Grafiken seit dem Jahr 1998, dann sieht man, dass die Feinstaubbelastung durch das Feuerwerk kontinuierlich zugenommen hat. Bisher sanken die Konzentrationen am Neujahrstag auch immer unter 100ug/m^3, in diesem Jahr (2016) aber blieb der Wert den ganzen Neujahrstag über auf Werten über 200ug/m^3. Das deckt sich doch sehr gut mit den eigenen Beobachtungen hier.



Feinstaub-Sensoren Selberbauen mit dem OK Lab Stuttgart im Shackspace

Es gibt viele Bürger, die interessieren sich für die Umwelt und Themen wie Feinstaub, haben aber nicht notwendigerweise den Background für den Bau eigener Messgeräte oder Messstationen. Im Kaufhaus gibt es solche Geräte leider auch noch nicht zu kaufen. Hier bietet das Stuttgarter OK Lab aber eine beeindruckende Lösung an. Die Macher dieser Gruppe haben einen Bausatz entwickelt, den man auch ohne große Kenntnisse relativ einfach zusammenstecken kann und der erstaunlich genaue Messungen ermöglicht.
Mehr dazu in diesem Bericht...

Externer Link zu opendata-stuttgart.github.io: Feinstaub-Karte des Ok-Lab
Externer Link zu www.luftdaten.info: Webseite des OK-Lab


Räucherkerzen als Feinstaubquelle


Oft hat man ja das Problem, dass man einen Feinsaubsensor testen möchte und so schnell keine passende Wetterlage entsteht. Wenn man dann nicht gerade zu den Geniessern von Tabakwaren gehört, bietet sich ein anderes Mittel an, das sich auch etwas schwächer und präziser dosieren lässt: Räucherkerzen bzw. Räucherstäbchen. Es riecht dann auch nach einigen Stunden nicht ganz so schlecht. Zudem ist es recht beeindruckend zu sehen, wie so ein Sensor den Feinstaub an verschiedenen Orten der Wohnung wahrnimmt. Hier ein Bericht:

Feinstaub von Räucherkerzen


Die einfachste Feinstaubmessung


Schein einer Taschenlampe (LEDLenser M5) im Nachthimmel bei etwa 80ug/m3 Feinstaub und ca. 57% relativer Luftfeuchte

Wenn es einmal mehr als 50ug/m3 an Feinstaubkonzentration in der Luft hat, dann braucht es kein teures Messequipment mehr um den Feinstaub sichtbar zu machen. Eine gute Taschenlampe tut es dann auch. Man muss damit nur in den leeren Nachthimmel leuchten. Je milchiger der Schein ist um so mehr Feinstaub hat es. Bei klarer Luft sieht man von der Taschenlampe dagegen keinen Schein, solange der Lichtstrahl nicht gerade ein Objekt trifft. Besonders gut geht das mit den neuen superhellen LED-Lampen, deren Strahl sich mit einer guten Optik auch noch schmal bündeln lässt. Man sollte allerdings darauf achten, dass die Luftfeuchte auch nicht über 70% liegt, sonst kann der Schein auch durch kondensierten Wasserdampf (Nebel) hervorgerufen werden. Allerdings kann man bei bei genauem Hinsehen im Lampenschein auch einzelne Tröpfchen erkennen, wenn sich Nebel bildet, die man im Schein des Feinstaubes nicht sehen kann. Liegt die relative Luftfeuchte unter 70% ist die Kondensation von Wasser dagegen sehr unwahrscheinlich und der Lampenschein sieht mal abgesehen von einzelnen großen Staubpartikeln homogen und milchig aus. Ursache für den Effekt ist der Tyndall-Effekt und die Lorenz-Mie-Streuung an den Feinstaub-Partikeln.



Das Feinstaub-Mess-Fahrrad


Mit dem Feinstaub-Mess-Fahrrad am Neckartor

Feinstaub wird an wenigen Messstellen in der Stadt gemessen. Das läßt schnell den Eindruck aufkommen, nur dort hat es dann Feinstaub. Dass dem nicht so ist, beweist dieser Versuch: Ein Fahrrad wurde mit GPS und Datenlogger zu einem Feinstaub-Mess-Fahrrad umgerüstet. Und dann ging es auf Tour durch Stuttgart.

Hier ein Bericht von der ersten Feinstaub-Fahrrad-Tour durch Stuttgart


Feinstaubkonzentrationen in öffentlichen Gebäuden in Stuttgart


Viel besser kann eine Klimaanlage kaum arbeiten, das Kunstmuseum befreit die Luft nahezu völlig vom Feinstaub draußen, das Buchhaus Wittwer ist auch noch ganz gut im Vergleich ...

Man stelle sich mal vor, man arbeitet in einem Büro am Neckartor oder wohnt in der Neckarstrasse. Selbst als gesunder Mensch ohne Asthmabescherden stellt man sich dann doch früher oder später die Frage: Bin ich denn wenigstens in einem geschlossenen Raum geschützt, wenn im Radio laufend Feinstaubalarm verkündet wird? Darum wurden hier einmal Gebäude untersucht, die für die Öffentlichkeit zugänglich sind. Die Aufgabenstellung war, herauszufinden, ob man die Dichtigkeit eines Raumes oder eines Gebäudes gegen Feinstaub irgendwie quantifizieren kann und wie der Vergleich dann für einige bekannte öffentliche Gebäude oder Räume in Stuttgart bei Feinstaubalarm tatsächlich ausssieht.

Hier das Ergebnis in einem Bericht


Funktionstest und Kalibriermöglichkeit für Feinstaubsensoren mit Rauchmelder-Testsprays


Wenn man die Feinstaubsensoren in einem Messnetzwerk untereinander vergleicht, wie zum Beispiel im Messnetz des oklab Stuttgart, dann fällt auf, dass sich die meisten Sensoren zwar ähnlich verhalten aber doch nicht gleich. Es gibt auch immer ein paar Ausreißer, die relativ weit abliegen vom regionalen Mittel. Ob das an lokalen Gegebenheiten liegt oder ob der jeweilige Sensor nicht korrekt arbeitet ist oft schwer zu sagen. Daher wäre eine zuverlässige Funktionskontrolle hilfreich. Es hat sich gezeigt, das Rauchmelder-Testsprays dafür gut geeignet wären und eventuell sogar eine Kalibrierung möglich wäre. Hier ein Bericht dazu:

Rauchmelder-Testsprays für den Funktionstest von Feinstaubsensoren


Beispiel einer sehr eindrucksvollen Feinstaub-Episode im Januar 2017

Woran erkennt man denn so eine Feinstaub-Episode, wie sieht so was in Stuttgart aus, mal abgesehen vom Feinstaubalarm der an Warntafeln und im Radio verkündet wird? Das wird sich so manch ein "Reigschmeckter" (ein Fremder in Stuttgart) fragen. Vielleicht hat es sich aber auch der eine oder andere Stuttgarter noch gar nicht so richtig vergegenwärtigt. Darum wurde hier einmal aus mehreren Perspektiven beispielhaft protokolliert, wie sich der Feinstaub in Stuttgart bemerkbar macht.

Bericht über die Feinstaubepisode vom 16.1.-30.1.2017 und ihre Auswirkungen in Stuttgart


Schwarmbasierte Auswertungen der ok Lab Sensoren

Das OK Lab betreibt ein Netzwerk von sehr vielen dezentralen Feinstaub-Sensoren, die vorwiegend in Gärten, auf Balkonen oder Terassen von Wohnhäusern aufgestellt sind. Amtliche Stationen gibt es dagegen nur sehr wenige und die stehen an stark befahrenen Straßen. Ein Feinstaubproblem existiert aber nicht nur an den großen Straßen. Daher ist es sehr interessant und aufschlußreich, wenn man die Sensoren des OK Lab Netzwerks auch in Wohngebieten auswertet und vergleicht. Es zeigt sich dabei sehr deutlich, dass die Sensoren, obwohl sie an ganz unterschiedlichen Stellen in der Stadt von unterschiedlichen Leuten betrieben werden, Messkurven liefern, die sehr ähnlich zueinander sind. Das Verhalten der Sensoren, z.B. während der Feinstaub-Episoden mit hoher Belastung, ähnelt dabei einem Schwarm, der sich nach einem sehr vergleichbaren Muster bewegt. Daher bietet es sich auch an, die Erkenntnisse der Schwarmtheorie und der Schwarmintelligenz bei der Auswertung einzusetzen. Der wichtigste Aspekt dabei schein zu sein, dass sich ein Sensor annähernd so verhält, wie seine Nachbarn. Damit kann man nun Prüfungen auf Plausibilität der einzelnen Messkurven machen und statistische Parameter wie z.B. einen Schwarmmittelwert über Zeit berechnen, der es erlaubt, eine Feinstaubepisode besser zu charakterisieren. Bei der schwarmbasierten Auswertung der Sensoren zeigt sich aber auch, dass ein einfacher Skalierungsfaktor oft genügt, um gut korrelierte Messkurven auch quantitativ aufeinander abzubilden und damit eine Aussage über die Feinstaub-Luftgüte gewisser Bezirke in einem Stadtgebiet zu gewinnen.

Mehr dazu in folgendem Bericht:

Schwarmbasierte Auswertung der OK Lab Feinstaubsensoren im Stuttgarter Stadtgebiet hinsichtlich eines Feinstaub-Luftgütefaktors



Erhöhen der Genauigkeit von low-cost Feinstaubsensoren


Offensichtlich wird das selber Messen von Feinstaubkonzentrationen immer beliebter. Den Eindruck hat man jedenfalls wenn man sich die schiere Anzahl der im Winter 2016/2017 privat aufgestellten Feinstaubsensoren im OK Lab Netzwerk vor allem in Stuttgart anschaut. Es scheint ganz Stuttgart ist im Feinstaub-Messfieber. Nur taucht immer wieder die Frage auf, sind diese Messungen denn genau? Nun, ein Vertreter der Universität Stuttgart hat den Sensoren schon mal ein recht gutes Zeugnis ausgestellt. Zudem geht es bei diesem Citizen Science Projekt auch nicht darum, die amtlichen Messungen in ihrer Genauigkeit zu schlagen. Vielmehr ist das Ziel den Wert von offenen Daten zu demonstrieren und zu zeigen, daß ein enormer Wert dadurch entsteht, wenn viele Leute parallel an vielen Stellen messen, im Gegnsatz zu einzelnen Messungen an singulären Stellen. Auf diese Weise wird nämlich viel deutlicher, wie es um die flächige Ausdehnung von Feinstaubbelastungen bestellt ist.

Dennoch bleibt es natürlich immer ein Ziel aus den sehr kostengünstigen low-cost Sensoren das an Genauigkeit rauszuholen was geht. Solange die EU das sehr teure und aufwändige gravimetrische Messverfahren als Einziges amtlich anerkanntes Verfahren zulässt, bleibt das die Messlatte und man möchte erreichte Genauigkeiten damit vergleichen. Macht man das im Falle von low-cost Feinstaubsensoren, die nach dem Laser-Streulicht-Verfahren arbeiten, dann stellt man vor allem an den kalten, feuchten Wintertagen doch deutliche Abweichungen fest. Der Hintergrund ist, dass das Portfolio an chemischen Substanzen, aus denen urbaner Feinstaub zusammengesetzt ist auch wasserlösliche Salze enthält, die hygroskopisch sind. Bereits bei einer Luftfeuchte über 60%, die an den kalten feinstaubträchtigen Wintertagen oft erreicht oder überschritten wird, binden diese Salze dann die Feuchte und lösen sich allmählich in einem Wassertröpfchen auf. Dabei kommt es aber zu einem doch beträchtlichen Größenwachstum, was auch das Gewicht zunehmen läßt. Da bei den amtlichen Messungen die Messluft zuvor getrocknet wird, erscheinen die von den low-cost Laser-Streulichtsensoren bestimmten Feinstaubmesswerte zu groß.

Aber geschlagen geben muss man sich deswegen noch lange nicht, was die erreichbare Genauigkeit anbelangt. Man könnte jetzt natürlich genauso die Luft trocknen, wie es die Behörden auch machen, aber richtig kostengünstig wäre der beliebte Eigenbau-Sensor dann nicht mehr. Es gibt allerdings noch einen anderen Trick, man kann den Fehler einfach versuchen zu korrigieren, wenn man ihn schon kennt, denn einen Feuchtesensor haben die Eigenbau-Sensoren meist. Feuchte-Kompensation heißt also das Zauberwort.

Mehr dazu in folgendem Bericht:

FeuchteKompensation.pdf



Weitere Artikel zum Thema Feinstaub

Deutschsprachig
Ergebnisse des Vergleichs eines Alphasense OPC-N2 mit dem Grimm 1.108 mit einem Luvos Heilerde-Aerosol in der Partikel-Messkammer
Überschätzung der PM10-Feinstaubwerte durch die OK Lab Feinstaubsensoren auf Grund des hygroskopischen Partikelwachstums am Beispiel einer Herbstwoche im September 2017
Vergleichsmessung mit Glykolaerosol, SDS011, Alphasense-OPC-N2, versus Grimm 1.108
Vergleichsmessung mit breitverteiltem Mischaerosol, SDS011, Alphasense-OPC-N2, versus Grimm 1.108

Englischsprachig
The Effect of Quantization Errors on the Measurement Uncertainty of Low-Cost PM-Sensors
Analysis of the Mass Calculation Algorithm of the Grimm 1.108 Laser Aerosol Spectrometer
Monte-Carlo Simulations of a N-bin PM-Sensor Model for Studying Particle Size Quantization Errors
Assessment of Measurement Uncertainties for a SDS011 low-cost PM sensor from the Electronic Signal Processing Perspective
A statistical PM-calculation method for low-cost sensors avoiding costly histogram computations
Impact of Particle Mass Distribution on the Measurement Accuracy of Low-Cost PM-Sensors

Literaturverweise zum Thema Feinstaub

Informationen des Umweltbundesamts
Externer Link zu www.umweltbundesamt.de: Die Feinstaubseite des UBA

[des]information Stuttgart - Stadt der Mobilität
Verkehrsbedingte Luftverschmutzung
Eine sehr schöne Übersichtsbroschüre aus dem ILEK Lab von Beatrice Felix