{"id":52220,"date":"2026-03-04T10:46:15","date_gmt":"2026-03-04T09:46:15","guid":{"rendered":"https:\/\/www.dbu.de\/promotionsstipendium\/20021-697\/"},"modified":"2026-03-04T10:46:16","modified_gmt":"2026-03-04T09:46:16","slug":"20021-697","status":"publish","type":"promotionsstipendium","link":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/promotionsstipendium\/20021-697\/","title":{"rendered":"Untersuchung des Abbauverhaltens von Reifenabrieb in aquatischen \u00d6kosystemen unter Synthetisierung nat\u00fcrlicher Umweltbedingungen"},"content":{"rendered":"

Vorhaben<\/strong><\/p>\n

Beim Betrieb von Kraftfahrzeugen kommt es aufgrund der Reibung zwischen Reifen- und Fahrbahnoberfl\u00e4che zur Partikelabl\u00f6sung, dem sogenannten Reifenabrieb. Neusten Studien zufolge stellt diese Form von Mikroplastik weltweit eine der gr\u00f6\u00dften Quellen partikul\u00e4rer Umweltkontamination dar. Allein in Deutschland werden j\u00e4hrlich mehr als 110.000 t emittiert, Tendenz steigend. Ein nicht unerheblicher Teil der Partikel wird letztlich in limnische und marine Gew\u00e4sser eingetragen. Trotz der nachweislich gro\u00dfen partikul\u00e4ren und chemischen Umweltbelastung durch Reifenabrieb existieren insbesondere f\u00fcr aquatische \u00d6kosysteme bisher kaum gesicherte wissenschaftliche Erkenntnisse bez\u00fcglich dessen Persistenz sowie den wirkenden Zersetzungs- und Degradationsmechanismen.<\/p>\n

Ziel der Arbeit ist es daher, die wesentlichen Faktoren f\u00fcr den mechanischen, chemischen und biologischen Abbauvorgang von Reifenabrieb in aquatischer Umgebung zu identifizieren. Neben dem Einfluss der Materialrezeptur (z.B. Kautschukart, Antioxidantien, F\u00fcllstoffe etc.) soll dabei auch der Einfluss verschiedener Umweltbedingungen (z.B. Wassertemperatur, Licht, mechanische Beanspruchung etc.) sowie der Einfluss der Partikelmorphologie (z.B. Partikelgr\u00f6\u00dfe) untersucht werden. Ein weiteres Ziel ist die Identifikation von Gummimischungen, die verbesserte Eigenschaften hinsichtlich des Abbauverhaltens sowie potentiell toxischer Effekte des Abriebs aufweisen. Mit Hilfe der gewonnenen Erkenntnisse kann das Wissen \u00fcber die Zusammenh\u00e4nge von mikrostrukturellem Aufbau und wirksamen Zersetzungsmechanismen der Abriebpartikel in Abh\u00e4ngigkeit von den Umgebungsbedingungen in aquatischen \u00d6kosystemen ma\u00dfgeblich erweitert werden.<\/p>\n

Im Rahmen des Vorhabens wird dazu das Degradationsverhalten von Reifenabrieb in aquatischer Umgebung anhand von systematischen Abbauexperimenten unter Synthetisierung nat\u00fcrlicher Umweltbedingungen untersucht. Hierzu wird Reifenabrieb mit definierten Eigenschaften k\u00fcnstlich erzeugt. Mit Hilfe manometrischer Respirationstests wird zun\u00e4chst die biologische Abbaubarkeit innerhalb geschlossener Flaschensysteme untersucht. Weiterf\u00fchrend erfolgen aufskalierte offene Degradationsexperimente in Form sogenannter Mikrokosmen, in denen insbesondere die Desintegration, d. h. die mechanisch bedingte Zerkleinerung der Abriebpartikel aufgrund ihrer Wechselwirkung mit dem bewegten w\u00e4ssrigen Medium und dem Sediment untersucht wird. Dar\u00fcber hinaus wird mit Hilfe des Systems gezielt das biologische, chemische und mechanische Abbauverhalten bei realit\u00e4tsnaher \u00dcberlagerung bestimmter Einflussgr\u00f6\u00dfen (Licht, Temperatur, mechanische Abrasion) ermittelt. Der Degradationsfortschritt in den Abbauexperimenten soll anhand von bildgebenden- und polymer-chemischen Analysen untersucht werden.<\/p>\n

Die Untersuchungen sollen letztlich dazu beitragen Abbauraten von Reifenabrieb unter verschiedenen Rahmenbedingungen zu ermitteln. Erst wenn die Zerfallskinetik der Abriebpartikel bekannt ist, kann zuverl\u00e4ssig prognostiziert werden wie lange und in welcher Form diese Partikel in unterschiedlichen Umweltkompartiment verbleiben. Dar\u00fcber hinaus wird ein entscheidender Beitrag zur Entwicklung von Fahrzeugreifen geleistet, die sowohl aufgrund ihrer Materialzusammensetzung und dem Reifendesign als auch aufgrund der Quantit\u00e4t und Morphologie der freigesetzten Partikel zu einer Reduzierung der umweltsch\u00e4dlichen Auswirkungen durch Reifenabrieb f\u00fchren.<\/p>\n

Erste Ergebnisse<\/strong><\/p>\n

Im bisherigen Verlauf der Arbeit konnten bereits viele der gesetzten Meilensteine des Projekts erfolgreich umgesetzt werden. Neben der Entwicklung eines Ansatzes zur reproduzierbaren Erzeugung von Partikeln, die realen Reifenabrieb m\u00f6glichst realistisch abbilden sollen, wurden zwei unterschiedliche Testst\u00e4nde zur Untersuchung des aquatischen Abbauverhaltens dieser Partikel konzipiert, aufgebaut und erprobt. Die beiden Testst\u00e4nde wurden in solcher Weise ausgew\u00e4hlt und umgesetzt, dass sie sich bez\u00fcglich ihrer Wirkweise erg\u00e4nzen und gemeinsam somit die Mehrheit der relevanten Sch\u00e4digungsmechanismen, denen Reifenabrieb in realen aquatischen Habitaten ausgesetzt ist, abbilden. Die Eignung der gew\u00e4hlten Test- und Analysemethoden f\u00fcr die formulierte Pr\u00fcfaufgabe konnte letztlich anhand erster Ergebnisse validiert werden, da Alterungserscheinungen an den Reifenpartikeln nachgewiesen wurden.<\/p>\n

Im Rasterelektronenmikroskop (REM) wurden vor und nach dem Abbauexperiment repr\u00e4sentative Abriebpartikel bei verschiedenen Vergr\u00f6\u00dferungen hinsichtlich ihrer morphologischen Eigenschaften untersucht. Es wurde festgestellt, dass intensive UV-Bestrahlung zu einer signifikant raueren Werkstoffoberfl\u00e4che f\u00fchrt und Verspr\u00f6dungseffekte die Bildung von Fehlstellen wie Rissen verursachen (s. Abb. unten). Die sp\u00e4tere Beanspruchung im Mikrokosmos-Teststand f\u00fchrte zur Adh\u00e4sion von Reifen- und Sedimentpartikeln an den Probepartikeln. Zudem resultierten aus dem mechanischen Abrieb der vorgesch\u00e4digten \u00e4u\u00dferen H\u00fclle der Partikel w\u00e4hrend des Mikrokosmos Experiments zum Teil stark zerkl\u00fcftete Bereiche. Grunds\u00e4tzlich konnten w\u00e4hrend der bildgebenden Untersuchung Fragmentierungseffekte der Partikel nachgewiesen werden.<\/p>\n

Die durchgef\u00fchrten EDX-Analysen identifizierten die Ausgangsmischungen der Materialien anhand ihrer charakteristischen Rezepturen, wobei Unterschiede in der Elementzusammensetzung, wie z.B. der Einsatz von Kiesels\u00e4ure in PKW-Mischungen und Ru\u00df in LKW-Mischungen, ermittelt wurden. Auch Unterschiede in den Zinkgehalten der Mischungen konnten nachgewiesen und zugeordnet werden. Bereits vor dem Mikrokosmen Versuch zeigen sich nach der Voralterung des Ausgangsmaterials \u00c4nderungen in der Elementverteilung, insbesondere durch eine Abnahme des Kohlenstoffgehalts und eine Zunahme von Silizium und Sauerstoff. Nach dem Mikrokosmos-Experiment sind die Materialvarianten kaum noch unterscheidbar. Die Proben weisen deutlich reduzierte Kohlenstoffgehalte sowie erh\u00f6hte Silizium- und Sauerstoffintensit\u00e4ten auf, was auf\u00a0 Sedimentanhaftungen an der Partikeloberfl\u00e4che zur\u00fcckzuf\u00fchren ist. Die Zinkgehalte sind w\u00e4hrend des Mikrokosmos Versuchs aufgrund der Auslaugung in der Wasserphase erheblich gesunken und nahezu nicht mehr nachweisbar.<\/p>\n

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Im Rahmen der Arbeit wurden Gr\u00f6\u00dfenverteilungskurven der Partikel vor und nach dem Mikrokosmen-Experiment aufgenommen. Die Alterung im Experiment f\u00fchrt zu einer Verschiebung der Gr\u00f6\u00dfenverteilungskurve hin zu kleineren Partikelgr\u00f6\u00dfen. Der Anteil der Partikel gr\u00f6\u00dfer als 50 \u00b5m sinkt, w\u00e4hrend der Anteil der Partikel kleiner als 50 \u00b5m signifikant ansteigt, was auf Fragmentierungsvorg\u00e4nge w\u00e4hrend der Beanspruchung im Mikrokosmos hindeutet und somit die Ergebnisse der REM-Analyse best\u00e4tigt. Bei den Versuchsdurchl\u00e4ufen, bei denen UV-Bestrahlung, mechanische Abrasion und thermische Exposition gleichzeitig auf die Probe einwirken, wurde immer eine Reduzierung der mittleren Partikelgr\u00f6\u00dfe um 5 bis 34 % festgestellt (s.Abb. unten, links). Der Versuchsaufbau erm\u00f6glicht auch die gezielte Aktivierung oder Deaktivierung einzelner Beanspruchungsarten. Hier wurde aufgrund versuchsbedingter St\u00f6rfaktoren wie Sedimentanhaftungen und Agglomerationseffekte keine eindeutige Fragmentierung der Partikel festgestellt (s. Abb. unten, rechts). Es zeigt sich, dass die gleichzeitige Aktivierung aller Umgebungsbedingungen (UV-Licht, hohes Temperaturniveau und mechanische Beanspruchung) im Teststand den gr\u00f6\u00dften Effekt auf die Fragmentierung hat, w\u00e4hrend andere Kombinationen zu einer geringeren Abnahme oder sogar Zunahme der Partikelgr\u00f6\u00dfe f\u00fchren.<\/p>\n

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