{"id":52220,"date":"2026-10-23T12:48:01","date_gmt":"2026-10-23T10:48:01","guid":{"rendered":"https:\/\/www.dbu.de\/promotionsstipendium\/20021-697\/"},"modified":"2026-10-23T12:48:01","modified_gmt":"2026-10-23T10:48:01","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 \u00c3\u2013kosystemen unter Synthetisierung nat\u00c3\u00bcrlicher Umweltbedingungen"},"content":{"rendered":"

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

Beim Betrieb von Kraftfahrzeugen kommt es aufgrund der Reibung zwischen Reifen- und Fahrbahnoberfl\u00c3\u00a4che zur Partikelabl\u00c3\u00b6sung, dem sogenannten Reifenabrieb. Neusten Studien zufolge stellt diese Form von Mikroplastik weltweit eine der gr\u00c3\u00b6\u00c3\u0178ten Quellen partikul\u00c3\u00a4rer Umweltkontamination dar. Allein in Deutschland werden j\u00c3\u00a4hrlich mehr als 110.000 t emittiert, Tendenz steigend. Ein nicht unerheblicher Teil der Partikel wird letztlich in limnische und marine Gew\u00c3\u00a4sser eingetragen. Trotz der nachweislich gro\u00c3\u0178en partikul\u00c3\u00a4ren und chemischen Umweltbelastung durch Reifenabrieb existieren insbesondere f\u00c3\u00bcr aquatische \u00c3\u2013kosysteme bisher kaum gesicherte wissenschaftliche Erkenntnisse bez\u00c3\u00bcglich dessen Persistenz sowie den wirkenden Zersetzungs- und Degradationsmechanismen.<\/p>\n

Ziel der Arbeit ist es daher, die wesentlichen Faktoren f\u00c3\u00bcr den mechanischen, chemischen und biologischen Abbauvorgang von Reifenabrieb in aquatischer Umgebung zu identifizieren. Neben dem Einfluss der Materialrezeptur (z.B. Kautschukart, Antioxidantien, F\u00c3\u00bcllstoffe etc.) soll dabei auch der Einfluss verschiedener Umweltbedingungen (z.B. Wassertemperatur, Licht, mechanische Beanspruchung etc.) sowie der Einfluss der Partikelmorphologie (z.B. Partikelgr\u00c3\u00b6\u00c3\u0178e) 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 \u00c3\u00bcber die Zusammenh\u00c3\u00a4nge von mikrostrukturellem Aufbau und wirksamen Zersetzungsmechanismen der Abriebpartikel in Abh\u00c3\u00a4ngigkeit von den Umgebungsbedingungen in aquatischen \u00c3\u2013kosystemen ma\u00c3\u0178geblich erweitert werden.<\/p>\n

Im Rahmen des Vorhabens wird dazu das Degradationsverhalten von Reifenabrieb in aquatischer Umgebung anhand von systematischen Abbauexperimenten unter Synthetisierung nat\u00c3\u00bcrlicher Umweltbedingungen untersucht. Hierzu wird Reifenabrieb mit definierten Eigenschaften k\u00c3\u00bcnstlich erzeugt. Mit Hilfe manometrischer Respirationstests wird zun\u00c3\u00a4chst die biologische Abbaubarkeit innerhalb geschlossener Flaschensysteme untersucht. Weiterf\u00c3\u00bchrend 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\u00c3\u00a4ssrigen Medium und dem Sediment untersucht wird. Dar\u00c3\u00bcber hinaus wird mit Hilfe des Systems gezielt das biologische, chemische und mechanische Abbauverhalten bei realit\u00c3\u00a4tsnaher \u00c3\u0153berlagerung bestimmter Einflussgr\u00c3\u00b6\u00c3\u0178en (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\u00c3\u00a4ssig prognostiziert werden wie lange und in welcher Form diese Partikel in unterschiedlichen Umweltkompartiment verbleiben. Dar\u00c3\u00bcber hinaus wird ein entscheidender Beitrag zur Entwicklung von Fahrzeugreifen geleistet, die sowohl aufgrund ihrer Materialzusammensetzung und dem Reifendesign als auch aufgrund der Quantit\u00c3\u00a4t und Morphologie der freigesetzten Partikel zu einer Reduzierung der umweltsch\u00c3\u00a4dlichen Auswirkungen durch Reifenabrieb f\u00c3\u00bchren.<\/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\u00c3\u00b6glichst realistisch abbilden sollen, wurden zwei unterschiedliche Testst\u00c3\u00a4nde zur Untersuchung des aquatischen Abbauverhaltens dieser Partikel konzipiert, aufgebaut und erprobt. Die beiden Testst\u00c3\u00a4nde wurden in solcher Weise ausgew\u00c3\u00a4hlt und umgesetzt, dass sie sich bez\u00c3\u00bcglich ihrer Wirkweise erg\u00c3\u00a4nzen und gemeinsam somit die Mehrheit der relevanten Sch\u00c3\u00a4digungsmechanismen, denen Reifenabrieb in realen aquatischen Habitaten ausgesetzt ist, abbilden. Die Eignung der gew\u00c3\u00a4hlten Test- und Analysemethoden f\u00c3\u00bcr die formulierte Pr\u00c3\u00bcfaufgabe 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\u00c3\u00a4sentative Abriebpartikel bei verschiedenen Vergr\u00c3\u00b6\u00c3\u0178erungen hinsichtlich ihrer morphologischen Eigenschaften untersucht. Es wurde festgestellt, dass intensive UV-Bestrahlung zu einer signifikant raueren Werkstoffoberfl\u00c3\u00a4che f\u00c3\u00bchrt und Verspr\u00c3\u00b6dungseffekte die Bildung von Fehlstellen wie Rissen verursachen (s. Abb. unten). Die sp\u00c3\u00a4tere Beanspruchung im Mikrokosmos-Teststand f\u00c3\u00bchrte zur Adh\u00c3\u00a4sion von Reifen- und Sedimentpartikeln an den Probepartikeln. Zudem resultierten aus dem mechanischen Abrieb der vorgesch\u00c3\u00a4digten \u00c3\u00a4u\u00c3\u0178eren H\u00c3\u00bclle der Partikel w\u00c3\u00a4hrend des Mikrokosmos Experiments zum Teil stark zerkl\u00c3\u00bcftete Bereiche. Grunds\u00c3\u00a4tzlich konnten w\u00c3\u00a4hrend der bildgebenden Untersuchung Fragmentierungseffekte der Partikel nachgewiesen werden.<\/p>\n

Die durchgef\u00c3\u00bchrten EDX-Analysen identifizierten die Ausgangsmischungen der Materialien anhand ihrer charakteristischen Rezepturen, wobei Unterschiede in der Elementzusammensetzung, wie z.B. der Einsatz von Kiesels\u00c3\u00a4ure in PKW-Mischungen und Ru\u00c3\u0178 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 \u00c3\u201enderungen 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\u00c3\u00b6hte Silizium- und Sauerstoffintensit\u00c3\u00a4ten auf, was auf\u00c2\u00a0 Sedimentanhaftungen an der Partikeloberfl\u00c3\u00a4che zur\u00c3\u00bcckzuf\u00c3\u00bchren ist. Die Zinkgehalte sind w\u00c3\u00a4hrend 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\u00c3\u00b6\u00c3\u0178enverteilungskurven der Partikel vor und nach dem Mikrokosmen-Experiment aufgenommen. Die Alterung im Experiment f\u00c3\u00bchrt zu einer Verschiebung der Gr\u00c3\u00b6\u00c3\u0178enverteilungskurve hin zu kleineren Partikelgr\u00c3\u00b6\u00c3\u0178en. Der Anteil der Partikel gr\u00c3\u00b6\u00c3\u0178er als 50 \u00c2\u00b5m sinkt, w\u00c3\u00a4hrend der Anteil der Partikel kleiner als 50 \u00c2\u00b5m signifikant ansteigt, was auf Fragmentierungsvorg\u00c3\u00a4nge w\u00c3\u00a4hrend der Beanspruchung im Mikrokosmos hindeutet und somit die Ergebnisse der REM-Analyse best\u00c3\u00a4tigt. Bei den Versuchsdurchl\u00c3\u00a4ufen, bei denen UV-Bestrahlung, mechanische Abrasion und thermische Exposition gleichzeitig auf die Probe einwirken, wurde immer eine Reduzierung der mittleren Partikelgr\u00c3\u00b6\u00c3\u0178e um 5 bis 34 % festgestellt (s.Abb. unten, links). Der Versuchsaufbau erm\u00c3\u00b6glicht auch die gezielte Aktivierung oder Deaktivierung einzelner Beanspruchungsarten. Hier wurde aufgrund versuchsbedingter St\u00c3\u00b6rfaktoren 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\u00c3\u00b6\u00c3\u0178ten Effekt auf die Fragmentierung hat, w\u00c3\u00a4hrend andere Kombinationen zu einer geringeren Abnahme oder sogar Zunahme der Partikelgr\u00c3\u00b6\u00c3\u0178e f\u00c3\u00bchren.<\/p>\n

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