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.
Smartemis Instruments
| Particle Measurement | Instrument List | Function/Species measured |
|---|---|---|
| Present Instruments | AVL Micro Soot Sensor (MSS) | nvPM mass (black carbon) concentration |
| AVL Particle Counter Advanced Plus (APC) | nvPM number concentration | |
| TSI Scanning Mobility Particle Sizer Model 3938 (long and nano DMA) | Particle number size distribution | |
| Chell CSM2000 + Photovolt 577PC ( SAE ARP 1179 compliant smoke meter and reflectometer) | ICAO Smoke Number | |
| Catalytic Instruments Catalytic Stripper CS08 | removal of volatile PM fraction | |
| Aerodyne CAPS PMssa Monitor (660 nm) | aerosol scattering, extinction, and single scattering albedo (SSA) | |
| ELPI®+ - Analyzer for real-time aerosol measurements | real-time particle size distribution and concentration | |
| Possible extensions | Filter sampling system for thermal-optical analysis | |
| * nvPM = non-volatile particulate matter; DMA = Differential mobility analyser |
| Gas phase measurement | Instrument List | Function/Species measured |
|---|---|---|
| Present instruments | Horiba PG350 multi-gas analyser | CO, CO2, NOx, SO2 |
| Ecophysics CLD 844 S hr NOx analyser | NO, NO2, NOx | |
| Horiba MEXA 1170HFID Hydrocarbon (HC) analyser | Total HC | |
| Thermo Scientific 48iQ CO analyser | CO | |
| Thermo Scientific 410i and 410 iQ CO2 analysers | CO2 | |
| Thermo Scientific 43i SO2 analyser | SO2 | |
| Thermo Scientific 146iQ Multi-gas calibrator | calibration gas dilution for span and multipoint calibrations | |
| Possible extensions | Custom-built VOC sampling system for thermal desorption GC-MS analysis |
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.
Die neuen ICAO-Richtlinien (SARP) für nvPM-Emissionen wurden im März 2020 angenommen. Diese neuen Standards traten am 1. Januar 2021 in Kraft. Darüber hinaus wurden die neu akzeptierten LTO nvPM-Emissionsgrenzwerte ab dem 1. Januar 2023 wirksam. Eine Zusammenfassung der SARPs wurde im ICAO-Umweltbericht 2019 vorgestellt. Diese betreffen die Art und Weise der nvPM-Messungen, die nvPM-Grenzwerte und die nvPM-Berichterstattung für neu entwickelte sowie fabrikneue Flugzeugtriebwerke. Die neuen Vorschriften sollen Rückschritte bei der Entwicklung der Verbrennungstechnologie von Triebwerken verhindern und zu einer Verbesserung der Emissionswerte neuer Triebwerke führen.
Hochleistungs-Feldanalytik mit SMARTEMIS
Obwohl SMARTEMIS eine hochkomplexe Infrastruktur ist, wurde das System für die volle operative Mobilität im Feld konzipiert. Diese Portabilität erfordert eine sorgfältige logistische Planung, um präzise Umgebungsparameter – insbesondere die Temperaturkontrolle – aufrechtzuerhalten und eine konstante Versorgung mit Strom und Gasen sicherzustellen. Unser Team hat die Robustheit des Systems unter Beweis gestellt, indem es während der ADVISAR-Kampagnen 2025/2026 in Buochs hochpräzise Messungen unter extremen Bedingungen erfolgreich durchgeführt hat – von sommerlichen Spitzenwerten von 35 °C bis zu winterlichen Temperaturen nahe 0 °C.
Die Aussagekraft dieser Untersuchungen beruht wesentlich auf dem sorgfältigen Transport empfindlicher Komponenten und auf der Fähigkeit, komplexe Installationen unter anspruchsvollen Aussenbedingungen umzusetzen. Da SMARTEMIS speziell für die Analyse in der Triebwerksaustrittsebene entwickelt wurde, bringt die Probenahme direkt an einem Strahltriebwerk besondere Herausforderungen mit sich, die vor Ort massgeschneiderte technische Anpassungen erfordern. Trotz dieser Hürden sind Feldstudien unverzichtbar: Tests direkt am Triebwerk liefern die authentischsten bodengestützten Daten und dienen als zentraler Referenzwert, um zu beurteilen, wie sich verschiedene Flugtreibstoffe unter realen Bedingungen auf Emissionsprofile auswirken.
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.
Weitere Informationen
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