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SMARTEMIS
Modernstes, den ICAO-Messstandards entsprechendes Emissionsmesssystem für Triebwerke
Systembeschreibung
Das «Swiss Mobile Aircraft Emission Measurement System» (SMARTEMIS) ist ein innovatives mobiles Flugzeugtriebwerks-Emissionsmesssystem für Partikel- und Gasemissionen. Der Prototyp von SMARTEMIS wurde ursprünglich vom Bundesamt für Zivilluftfahrt (BAZL) gebaut und im Triebwerksprüfstand bei SR Technics am Flughafen Zürich eingebaut. Die Weiterentwicklung des Systems erfolgte durch die Empa in Zusammenarbeit mit SR Technics. In dieser Zeit wurde das standardisierte Messverfahren für die Partikelmessung integriert und das Messsystem vollständig mobil gemacht (Anfang 2017). Die Entwicklung von SMARTEMIS ist eng mit der Erarbeitung des ersten globalen Standards für nichtflüchtige Partikel (Russ, als Fachbegriff «nvPM») für Flugzeugtriebwerke durch die Internationale Zivilluftfahrtorganisation (ICAO) verbunden.
Die nvPM Probenahme- und Messinstrumentierung von SMARTEMIS ist vollständig konform mit dem ICAO nvPM Zertifizierungsstandard. Neben den standardisierten Instrumenten für nvPM-Massen und -Anzahlmessungen beinhaltet SMARTEMIS Geräte zur Messung der Partikelgrössenverteilung, der «Smoke Number» (Rauchzahl), der regulierten gasförmigen Schadstoffe (CO, HC, und NOx) und eines nicht reglementierten gasförmigen Abgases (SO2). In Verbindung mit einer einzigartigen in der x-z-Ebene justierbaren Abgassonde, die bei SR Technics installiert ist, wurde SMARTEMIS zur Messung von Emissionsdaten für eine Vielzahl von sich im Einsatz befindenden Mantelstromtriebwerken eingesetzt.
Wie lauten die ICAO-Emissionsvorschriften?
SMARTEMIS ist eines von drei unabhängig voneinander gebauten Referenzsystemen für nvPM-Messungen weltweit. Das SAE-E31-Komitee hatte im Jahre 2013 eine erste Version einer standardisierten nvPM-Messmethodik entworfen (SAE Aerospace Information Report 6241). Um dessen Güte zu demonstrieren wurde SMARTEMIS 2013 bei SR Technics bei den ersten nvPM-Messungen eines regulierten Triebwerks unter Bedingungen eingesetzt, die dem zukünftigen ICAO nvPM-Standard im Prüfstand entsprechen. Spätere Testkampagnen konzentrierten sich auch auf die Auswirkungen der Kraftstoffzusammensetzung (einschliesslich nachhaltiger Flugkraftstoffe wie HEFA) auf die nvPM-Emissionen und lieferten dem Ausschuss für Umweltschutz in der Luftfahrt (CAEP) wertvolle Daten für die Entwicklung von Korrekturgleichungen für die nvPM-Emissionszertifizierung. Die Messkampagnen bei SR Technics sowie die jüngsten Messkampagnen bei Triebwerksherstellern im Ausland haben zur Entwicklung einer nvPM-Emissionsdatenbank von repräsentativen, aktuell hergestellten Flugzeugtriebwerken und der in Zukunft geltenden nvPM-Emissionsgrenzwerte für die CAEP/11 nvPM-Massen- und Zahlenstandards beigetragen.
Der ICAO-Umweltbericht 2019 enthält eine Zusammenfassung der neuen Standards and Recommended Practices (SARPs) für nvPM-Emissionen, die im März 2020 verabschiedet werden sollen. Diese SARPs betreffen nvPM-Messungen und -Grenzwerte, sowie dessen Berichterstattung für neue Flugzeugtriebwerke. Die neuen Vorschriften sollen Rückschritte bei der Entwicklung der Verbrennungstechnik von Triebwerken verhindern und zu einer Verbesserung der Emissionswerte neuer Triebwerke führen.
Feldmesskampagnen
Durch den robusten modularen Aufbau des Systems kann SMARTEMIS für Emissionsmessungen ausserhalb von SR Technics relativ einfach transportiert werden. Die verschiedenen Module können entweder auf einen für das System ausgelegten Anhänger verladen oder für grössere Entfernungen in dafür angefertigte Kisten für den Transport per Luft- oder Landfracht verpackt werden. Beispiele für solche Messkampagnen sind Messungen am Bundesratsjet Dassault Falcon 900EX in Payerne, Schweiz (Oktober 2017) und Messungen bei Triebwerksherstellern in der Ukraine (September 2018) und Russland (Oktober 2018, August 2019).
SMARTEMIS an der ZHAW
In Zusammenarbeit mit dem BAZL und SR Technics setzt unser Team (Forschungsgruppe «Meteorologie, Umwelt und Luftverkehr») SMARTEMIS weiterhin zur Messung von Gas- und Partikelemissionen von Triebwerken ein. Darüber hinaus optimieren und aktualisieren wir SMARTEMIS stetig und beteiligen uns an internationalen und nationalen Kooperationsprojekten.
SMARTEMIS-Projekte
BAZL-finanzierte Forschungsprojekte:
EU-finanzierte Kooperationsprojekte im Rahmen von Horizon 2020:
- RAPTOR mit den Hauptzielen:
Abschätzung von Messunsicherheiten der nvPM-Emissionen von Triebwerken
Überprüfung von Modellansätzen zur Modellierung der Luftqualität um Flughäfen
Bewertung der nvPM-Gesundheitsauswirkungen
Redaktion künftiger Vorschriften
- ACACIA, mit den Hauptzielen:
Auswirkungen der Luftfahrt auf das Klima verstehen
Wissenschaftlich fundierte Wissensbasis über Methoden zur Minderung der Klimaauswirkungen der Luftfahrt erschaffen