27.02.2020 - Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt)

CO2-Spürnase im All

Die CO2-Konzentrationen in der Luft steigen nach wie vor rapide an, und eine rasche Reduktion der vom Mensch verursachten Emissionen wird immer wichtiger. Um die Wirksamkeit politischer Massnahmen zu beurteilen, benötigt es zeitnahe und zuverlässige Emissionswerte. Derzeitige Methoden sind aber aufwändig. Die Europäische Raumfahrtbehörde ESA arbeitet daher an der Entwicklung neuer Satelliten, die künftig CO2-Emissionen bestimmen können – mit Hilfe der Empa.

Städte sind regelrechte CO2-Schleudern, doch wie viel Emissionen tatsächlich ausgestossen werden, ist zurzeit kaum verlässlich zu bestimmen. Aktuelle Schätzungen basieren auf Statistiken und Aktivitätsdaten aus Verkehr, Industrie, Heizungen und Energieerzeugung. Die Auswertung dieser Daten ist aufwändig, und die Resultate liegen erst mit grosser Verzögerung vor. Die Schätzungen sind zudem unsicher, da oft keine genauen Zahlen verfügbar sind und vereinfachte Annahmen getroffen werden müssen – beispielsweise beim Thema Heizen. Das aktuelle Messnetz von Bodenstationen ist zwar hilfreich, um den Anstieg von CO2 in der Atmosphäre zu verfolgen; es ist aber im Moment nicht dicht genug, um verlässliche Aussagen über die Emissionen einzelner Länder oder gar einzelner Städte zu liefern.

Forscher arbeiten an verbesserter Emissionsbestimmung

Aus diesem Grund entwickelt die EU zusammen mit der ESA ein System zur Überwachung der CO2-Emissionen. Eine wesentliche Komponente ist dabei die CO2M-Satellitenmission («Copernicus Anthropogenic Carbon Dioxide Monitoring»): Ab 2025 sollen die ersten CO2M-Satelliten in den Orbit geschickt werden, die mit Hilfe spektroskopischer Messungen globale Karten der atmosphärischen CO2-Konzentrationen erstellen. So lässt sich bestimmen, wo wieviel CO2 von Industrieanlagen, Städten und Ländern emittiert wird. Diese Messungen würden die derzeitigen Unsicherheiten bei der Schätzung der CO2-Emissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe verringern.

Bei der Ausrüstung der Satelliten mit entsprechender Messtechnik vertraut die ESA auf die Expertise der Empa. «Wir konnten der ESA verschiedene Empfehlungen für die Ausstattung der Satelliten geben», so Gerrit Kuhlmann von der Empa-Abteilung «Air Pollution / Environmental Technology». Die Schwierigkeit bei der Bestimmung von CO2-Emissionen ist es, anthropogene und biologische Signale zu unterscheiden. Die Atmung der Vegetation erzeugt starke Schwankungen in der Verteilung von CO2. Der Satellit muss daher in der Lage sein, diese von den vom Menschen verursachten Emissionen zu trennen. Die Idee: Ein kombiniertes Messgerät, das CO2, aber auch zusätzlich Stickstoffdioxid (NO2) detektiert. Denn: «Bei der Verbrennung von Kohle, Öl und Gas entsteht nicht nur CO2, sondern auch Stickoxide. Diese entstehen jedoch nicht bei der natürlichen 'Atmung' der Biosphäre», so Kuhlmann. Ein zusätzliches NO2-Instrument sollte also in der Lage sein, anthropogene CO2-Signale «herauszufiltern».

Die Empa simuliert Satellitenmessungen

Um diese Idee zu überprüfen, simulierten Kuhlmann und sein Team die Verteilung der CO2- und NO2-Konzentrationen für das Jahr 2015 mit einer zuvor noch nicht erreichten räumlichen Auflösung. Die aufwändigen Simulationen wurden auf dem schnellstem Hochleistungsrechner Europas durchgeführt, dem «Piz Daint» am Schweizer Rechenzentrum CSCS in Lugano. Dabei konnten sie zeigen, dass eine Kombination der Messungen von CO2 und NO2 bessere und verlässlichere Resultate liefert, als wenn nur ein CO2-Messgerät auf dem Satelliten verbaut wäre.

Zurzeit ist noch unklar, wie viele Satelliten in den Orbit geschickt werden müssen, doch Kuhlmann empfiehlt mindestens drei. «Das Problem ist, dass der Himmel nur selten wolkenfrei ist», so Kuhlmann. Im Jahr 2015 war der Himmel über Europa im Durchschnitt an nur einem Tag pro Woche entsprechend frei von Wolken. Je mehr Satelliten regelmässig Bilder aufnehmen, umso höher ist die Wahrscheinlichkeit, die Abgasfahnen einzelner Quellen wie Städten zu sehen und daraus die Emissionen bestimmen zu können. Die Empfehlung für den Einbau eines zusätzlichen NO2-Messinstruments wurde bereits in die Planung der neuen Satelliten übernommen.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
Mehr über Empa
  • News

    Komplexe Zelluloseobjekte drucken

    Forscher der ETH Zürich und der Empa druckten mit einem Zellulose-Verbundmaterial verschiedene Objekte, deren Zellulosegehalt höher liegt als derjenige von anderen 3D-gedruckten zellulosebasierten Gegenständen. Ein Trick half dabei. Bäume und andere Pflanzen machen es vor: Sie stellen Zell ... mehr

    Dank neuer Erkenntnisse bald Supraleitung bei Raumtemperatur?

    Ein Forscherteam aus der Schweiz, den USA und Polen hat eine einzigartig hohe Dichte von Wasserstoffatomen in einem Metallhydrid nachgewiesen. Die kleineren Abstände zwischen den Atomen könnten es ermöglichen, deutlich mehr Wasserstoff in das Material zu packen – bis zu einem Punkt, an dem ... mehr

    Chemische Reaktionen in Echtzeit beobachten

    Die Forscher des gemeinsamen Labors der EPFL und der Empa in Sion haben ein Reaktorsystem und eine Analysemethode entwickelt, mit denen sie erstmals die Produktion von synthetischem Erdgas aus Kohlendioxid (CO2) und Wasserstoff (H2) in Echtzeit beobachten können. Infrarot (IR)-Thermografie ... mehr

  • Videos

    Eine wasserbasierte, wiederaufladbare Batterie

    Ein Gramm Wasser löst sieben Gramm NaFSI-Salz auf. So entsteht eine klare Salzlösung mit einer elektrochemischen Stabilität von bis zu 2,6 Volt - doppelt so viel wie bei anderen wässrigen Elektrolyten. mehr

    Nanozellulose-Schwämme gegen ausgelaufenes Öl

    Mit Nanozellulose gegen die Ölverschmutzungen in Gewässer. Empa-Forschenden ist es gelungen, einen Nanozellulose-Schwamm herzustellen, der Öl im Wasser aufsaugt und immer noch schwimmt. So könnte man in Zukunft ganz einfach ausgelaufenes Öl im Wasser entfernen. mehr

    Brennstoffzellen: «Saubere» Mobilität dank Wasserstoff

    Wasserstoff wird oft als «Benzin der Zukunft» bezeichnet. Die Postauto Schweiz AG betreibt versuchsweise eine Wasserstofftankstelle in Brugg AG für ihre Brennstoffzellen-Busse. An diesem Projekt beteiligt sich die Empa in Beratungsfunktion. Sie untersucht die Effizienz der Wasserstoffproduk ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Empa - Swiss Federal Laboratories for Materials Testing and Research

    mehr

    Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt)

    Die Empa ist eine interdisziplinäre Forschungs- und Dienstleistungsinstitution für Materialwissenschaften und Technologieentwicklung innerhalb des ETH-Bereichs. Die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten der Empa orientieren sich an den Anforderungen der Industrie und den Bedürfnissen der ... mehr

    Empa

    Die Empa ist eine interdisziplinäre Forschungs- und Dienstleistungsinstitution für Materialwissenschaften und Technologieentwicklung innerhalb des ETH-Bereichs. Die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten der Empa orientieren sich an den Anforderungen der Industrie und den Bedürfnissen der ... mehr