Projekt für die Nachwuchsförderung

im Strahlenschutz

Nachweis des Bioanteils in

kommerziellen Kraftstoffen mit Hilfe

der C14-Methode

von

Tina Sauerwein, Laura Ruckelshaußen, Sinah Friedrich,

Juri Eva, Philipp Schnecko und Peter Rohn

Nachweis des Bioanteils in

kommerziellen Kraftstoffen mit Hilfe

der C14-Methode

von

Tina Sauerwein, Laura Ruckelshaußen, Sinah Friedrich,

Juri Eva, Philipp Schnecko und Peter Rohn

Betreuer: Herr Dr. Kammer (Theo-Koch-Schule Grünberg)

Externe Betreuer: Prof. Dr. Breckow (FH Gießen-Friedberg),

Prof. Dr. Koch (FH Gießen-Friedberg)

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Inhaltsverzeichnis

THEMA SEITE

1. Einleitung 2

2. Radioaktivität und Strahlenschutz 3

2.1. Geschichte 3

2.2. Atomaufbau 3

2.3. Strahlungsarten 4

2.4. Natürliche Strahlung und ihre Quellen 6

2.5. Künstliche Strahlung und ihre Quellen 6

3. C14 7

3.1. Entstehung und Eigenschaften 7

3.2. Abbildung des C14-Kreislaufes 7

4. Messmethode 8

4.1. Der Flüssigkeitsszintillationszähler 8

4.2. Versuchsaufbau 9

5. Durchführung von eigenen Messungen (Protokolle) 10

6. Analyse der Ergebnisse 12

7. Zusammenfassung der Ergebnisse 16

8. Literatur und Danksagung 17

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Kapitel 1 – Einleitung

Einleitung und Hintergründe des Projekts „Nachweis des Bioanteils in kommerziellen

Kraftstoffen mit Hilfe der C14-Methode“, der Theo-Koch-Schule Grünberg in

Zusammenarbeit mit der Fachhochschule Giessen-Friedberg

Seit dem ersten Januar 2007 sorgt das Biokraftstoffquotengesetz dafür, dass in jeden Kraftstoff für Kraftfahrzeuge, ein bestimmter Prozentsatz an Biokraftstoffen beigemischt werden muss. Das soll die Verbrennung von mineralischen Kraftstoffen im Verkehr senken und damit einerseits Ressourcen schonen und andererseits dem Umweltschutz dienen. Der Anteil des Biokraftstoffes im Normalkraftstoff liegt im Moment bei 5,25% und wird vorerst nicht planmäßig auf 6,25% aufgestockt, da es sonst zu Problemen bei der Verbrennung im Motor kommen könnte. Derzeit ist der so genannte „Biodiesel“, also weiterbehandeltes Rapsöl, weitestgehend der „Öko-Sprit“ der zu 5,25% im Normaldiesel enthalten ist. Uns interessierte nun, ob dieser Anteil nachweisbar und wenn ja, überhaupt vorschriftsmäßig im Normalkraftstoff vorhanden ist. Biodiesel sollte, da er aus Pflanzlichen Stoffen gewonnen ist, eine natürliche Strahlung besitzen, während die mineralen Brennstoffe, wegen ihres Alters von bis zu 2 Milliarden Jahren, kaum radioaktiv sein sollten, da die meisten C14 Isotope schon zerfallen sein müssten. Die Strahlung des Biodiesels kann durch die C14-Methode gemessen werden. Die den radioaktiven Zerfall von C14 Isotopen in organischen Stoffen angibt. In Brennstoffen mit Biodieselanteil sollten also mehr radioaktive Zerfälle festzustellen sein, als in normalen Brennstoffen. Sollte dies nicht der Fall sein, so wäre das ein sicherer Beweis, dass in handelsüblichen Kraftstoffen nicht der vorgeschriebene Biokraftstoff enthalten ist, obwohl er gesetzlich vorgeschrieben ist.

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Kapitel 2 - Radioaktivität und Strahlenschutz

2.1. Geschichte der Radioaktivität

Was ist Radioaktivität?

Radioaktivität beschreibt die Eigenschaft eines instabilen Atomkerns der sich spontan unter Energieabgabe umwandelt. Die dadurch frei werdende Energie wird als radioaktive Strahlung bezeichnet. Aber wie fing eigentlich alles an?

1896 entdeckte Becquerel dass die neu gefundene Röntgenstrahlung durch Fluoreszenz zu erklären ist, jedoch konnte die Strahlung lichtundurchlässige Stoffe durchdringen und Luft ionisieren. 1898 fanden Marie und Pierre Curie zwei neue stärker strahlende Elemente und nannten sie Radium und Polonium. Nur ein Jahr später konnte Rutherford mit einer Untersuchung zwei Strahlungskomponenten unterscheiden. Im selben Jahr fanden drei weitere Physiker heraus, dass die Strahlungskomponenten durch Magnetfelder abgelenkt werden. 1900 fand Paul Villard heraus, dass es eine dritte Komponente gibt, die ein sehr hohes Durchdringungsvermögen hat. Daraufhin gab Rutherford den Strahlungsarten eine Bezeichnung und nannte sie Alpha-, Beta- und Gammastrahlung. Bis 1909 wurde nachgewiesen, dass Alphastrahlung aus Heliumkernen und Betastrahlung aus Elektronen besteht. Erst 1914 wurde die Vermutung, dass Gammastrahlung elektronmagnetische Wellen sind bestätigt. Ein Jahr vorher, 1913, formulierten Kasimier Fajans und Frederick Soddy die so genannten radioaktiven Verschiebungssätze, diese beschreiben die Änderung von Ordnungs- und Massenzahl beim radioaktiven Zerfall. 1933 gelang es dann dem Ehepaar Joliet-Curie radioaktive Elemente künstlich herzustellen, die aufgrund ihrer Halbwertszeit in der Natur nicht vorkommen. Nur ein Jahr später entdeckten sie eine neue Art des Betazerfalls. Seither unterscheidet man zwischen ß- und ß+ Strahlung.

2.2. Atomaufbau

Ein Atom besteht aus einem Kern und einer Hülle. Im Kern befinden sich Protonen und Neutronen, deswegen ist er positiv geladen. Die Neutronen halten die Protonen durch ihre Masse zusammen. Haben zwei Kerne gleich viele Protonen, aber unterschiedlich viele Neutronen, so nennt man diese Atome Isotope. Die Hülle besteht aus Elektronen und ist somit negativ geladen. Um nicht in den Kern zu stürzen, umkreisen die Elektronen diesen mit hoher Geschwindigkeit (klassisches Modell nach Bohr). Die Anzahl der Elektronen ist bei elektrisch neutralen Atomen immer gleich mit der Anzahl der Protonen. Der meiste Raum im Atom ist leer. Die Hülle teilt sich in verschiedene Schalen auf. Man benennt sie von Innen nach Außen. Dabei fängt man mit dem Buchstaben K an und schreitet im Alphabet fort. Auf die erste Schale passen maximal zwei, auf die nächsten jeweils acht Elektronen.

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2.3. Strahlungsarten

α-Strahlung α-Strahlung ist ein Teilchenstrom aus Heliumatomkernen, welche aus zwei Protonen und zwei Neutronen bestehen. Sie tritt vorwiegend auf, wenn ein Atomkern wenige Neutronen und viele Protonen besitzt, oder eine hohe Massenzahl hat. Dabei überschreiten die abstoßenden elektrischen Kräfte die bindenden Kernkräfte. Ein α-Teilchen bildet eine fester verbundene Einheit als ein Proton allein, darum trennt sich vorzugsweise ein ganzes Heliumnuklid, statt nur ein Proton vom Kern. Man spricht von einem α-Zerfall des Kerns. α-Teilchen lösen sich mit Geschwindigkeiten von 10.000 bis 30.000 km/s vom Atomkern. Die hohen Geschwindigkeiten und die hohe Masse schlagen sich in der kinetischen Energie dieser Teilchen nieder, welche bei 2 bis 5 MeV liegt. Die α-Strahlung ist gefährlich, doch bereits nach wenigen Zentimetern werden die Heliumkerne vollständig von der Luft absorbiert. Sie verlieren durch Zusammenstöße mit den Luftmolekülen an Geschwindigkeit und werden zu Heliumatomen, indem sie sich zwei Elektronen einfangen. Bereits ein Blatt Papier kann α-Strahlung abschirmen. Wegen ihrer elektrischen Ladung können α-Teilchen sowohl von elektrischen, als auch von magnetischen Feldern abgelenkt werden. Ein Atom ändert durch einen α-Zerfall seine Beschaffenheit, sodass es in der Nuklidkarte um zwei Positionen nach unten (zwei Protonen weniger) und zwei Positionen nach links (zwei Neutronen weniger) springt.

β--Strahlung β

--Strahlung ist ein Teilchenstrom aus sehr energiereichen (d.h. schnellen) Elektronen. β

--Strahlung tritt vorwiegend auf, wenn ein Atomkern viele Neutronen und wenige Protonen besitzt. Ein Neutron verwandelt sich dann in ein Proton und ein Elektron, das nicht aus der Hülle stammt. Das Proton verbleibt im Kern, das Elektron verlässt den Kern mit Geschwindigkeiten zwischen Null und nahezu Lichtgeschwindigkeit. Seine kinetische Energie kann darum, trotz seiner geringen Masse, von 0,02 bis zu 4 MeV betragen. Die maximalen Energien sind sehr hoch. Zum Schutz benutzt man Materialien mit leichten Atomkernen. Die Teilchen werden durch Stöße mit den Molekülen abgebremst und dann in Atomhüllen aufgenommen und absorbiert. 3,9m Luft kann β--Strahlung mittlerer Energie fast vollständig absorbieren, ebenso 5mm Wasser. Für Versuchsaufbauten bedient man sich zur Abschirmung meist dünner Alubleche. Wegen ihrer elektrischen Ladung werden β--Teilchen sowohl von elektrischen, als auch von magnetischen Feldern abgelenkt. Ein Atom ändert durch einen β--Zerfall seine Beschaffenheit derart, dass es in der Nuklidkarte um eine Position nach oben (ein Proton mehr) und eine Position nach links (ein Neutron weniger) springt.

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β+-Strahlung

Mit β+-Strahlung bezeichnet man einen Teilchenstrom aus sehr energiereichen (d.h. schnellen) Positronen. Positronen ε+ sind, bis auf ihre positive elektrische Ladung +ε, in allen Eigenschaften identisch zu Elektronen. Elektronen und Positronen sind zueinander Antiteilchen, die beim Zusammentreffen als γ-Strahlung „zerstrahlen“. β+-Strahlung tritt vorwiegend auf, wenn ein Atomkern relativ wenige Neutronen und viele Protonen besitzt. Ein Proton verwandelt sich dann in ein Neutron und ein Positron. Das Neutron verbleibt im Kern, das Positron verlässt den Kern mit Geschwindigkeiten zwischen Null und nahezu Lichtgeschwindigkeit. Seine kinetische Energie kann darum, trotz seiner geringen Masse, von 0,02 bis zu 4 MeV betragen. Um sich vor dieser Strahlung zu schützen, nimmt man absorbierende Materialien, die dazu möglichst leichte Atomkerne haben müssen. Die Teilchen werden durch Stöße mit den Molekülen abgebremst und zerstrahlen durch Annihilation mit ihren Antiteilchen, den Elektronen. 3,9m Luft absorbieren β+-Strahlung mittlerer Energie fast vollständig, ebenso 5mm Wasser. Für Versuchsaufbauten bedient man sich zur Abschirmung meist dünner Alubleche. Wegen ihrer elektrischen Ladung werden β+-Teilchen sowohl von elektrischen, als auch von magnetischen Feldern abgelenkt. Ein Atom ändert durch einen β+-Zerfall seine Beschaffenheit so, dass es in der Nuklidkarte um eine Position nach unten (ein Proton weniger) und eine Position nach rechts (ein Neutron mehr) springt. γ-Strahlung

γ-Strahlung ist von gleicher Natur wie das sichtbare Licht, nur viel energiereicher. Die von der Strahlung transportierte Energie besteht aus einzelnen „Portionen“, den so genannten γ-Quanten oder auch Photonen. Photonen bewegen sich immer mit Lichtgeschwindigkeit und haben keine Ruhemasse, sind also keine Teilchen im klassischen Sinn. Außerdem besitzen sie keine elektrische Ladung, sind also neutral. Darum werden sie von elektrischen und magnetischen Feldern nicht beeinflusst. γ-Strahlung tritt häufig dann auf, wenn Atomkerne zerfallen. Die Atomkerne sind dann „angeregt“. Der angeregte Kern gibt diese Energie in Form von γ-Quanten ab, sie beträgt zwischen 0,1 und 20 MeV. Da das γ-Quant keine Ruhemasse und keine Ladung besitzt, bleiben die Kernladungs- und Massenzahl erhalten. Dementsprechend bleibt ein Isotop, das ein γ-Quant ausgesendet hat, in der Nuklidtafel auf seinem angestammten Platz stehen. Wenn elektrisch geladene Teilchen abgebremst werden (z.B. durch Stöße), geben sie ihre kinetische Energie ebenfalls in Form von γ-Quanten ab. γ-Strahlung ist die Strahlung mit dem größten Durchdringungsvermögen von Materie. Dies macht den Umgang mit ihr so gefährlich, denn dadurch ist sie schwer abzuschirmen. Man benutzt dicke Bleiplatten, die die γ-Quanten absorbieren und als Wärmeenergie abführen.

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2.4. Natürliche Strahlung und ihre Quellen

Die Welt und auch die Menschen sind ständigen ionisierenden Strahlungen ausgesetzt. Natürliche Strahlenquellen sind die Ursache dafür, dass diese Strahlung ganz unabhängig vom Menschen entsteht. Ein Faktor ist die kosmische Strahlung, die aus dem Weltall auf die Erde trifft. Ein weiterer Faktor sind die natürlichen Radionuklide in den Gesteinen der Erdkruste. Diese Radionuklide gelangen aus den Böden in Pflanzen, Wasser und Tiere und somit auch in die Nahrung der Menschen. Am häufigsten ist das radioaktive Element Kalium 40. Was dazu führt, dass selbst der Mensch einen geringen Anteil natürlicher Radionukliden enthält. (Der Mittelwert liegt hier bei 9000 Becquerel) Das radioaktive Edelgas Radon-222 nimmt unter den natürlichen Radionukliden eine besondere Rolle ein, es stammt aus dem Boden und entsteht aus dem Zerfall von Uran und zerfällt selbst in eine Reihe weiterer Nuklide. Im Durchschnitt wird ein Mensch also mit 2,4 mSv pro Jahr bestrahlt. Dieser Wert schwankt jedoch regional und kann bis zu 100 mSv pro Jahr liegen.

2.5. Künstliche Strahlung und ihre Quellen

Um in der Industrie, Medizin und in der Forschung voran zu kommen, machten sich die Menschen radioaktive Stoffe und ionisierende Strahlung nützlich. Der größte Teil aus der „zivilisatorischen Strahlung“, wie sie auch genannt wird, kommt aus dem medizinischen Bereich. Einmal röntgen ist vergleichbar mit einem Jahr natürlicher Strahlung, die ein Mensch im Durchschnitt aufnimmt. Eine noch größere Strahlungs-exposition gibt es jedoch noch bei der Computertomographie(CT), wo bei einer CT des Bauches eine Dosis von 10-25mSv gemessen wurde. Ein nur geringer Teil kommt aus den Kernkraftwerken (höchstens eine Dosis von weniger als 0,01 mSv). Sollte jedoch ein gravierender Fehler unterlaufen, so kann die Belastung größer werden und steigt im Durchschnitt um 1,0 mSv. Durch die Katastrophe von Tschernobyl ist immer noch eine Strahlenexposition von ca. 0,016mSv/a in Deutschland zu messen. Wenn jedoch nicht gerade eine Katastrophe passiert, ist der Mensch durch die Gewinnung von Kohle deutlich höher belastet als durch ein Kernkraftwerk. Da in Kohle Spuren von verschieden radioaktiven Substanzen sind (Radon, Uran…) und diese bei dem Kohletransport und der Verbrennung freigesetzt werden, führt dies zur Erhöhung der künstlichen Strahlenbelastung. Eine weitere Strahlenquelle sind Zigaretten. Sie geben eine gesamte Strahlenbelastung von 0,07 mSv pro Zigarette ab.

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Kapitel 3 - C14

3.1. Entstehung und Eigenschaften

C14 ist ein nicht stabiler Kohlenstoff, der deshalb auch Radiokohlenstoff genannt wird. Er entsteht in der oberen Erdatmosphäre durch Kernreaktionen. Kosmische Strahlung spaltet dabei Neutronen von Atomen ab, die dann, wenn sie auf ein (Stickstoff) N14 Atom treffen in dieses aufgenommen werden und ein Proton aus ihm heraus katapultieren, so entsteht ein C14 Atom. In der Natur kommen Kohlenstoffe als Isotope vor (C12; C13; C14), doch im Gegensatz zu C12 und C13 ist C14 instabil und zerfällt mit einem β-- Zerfall. Außerdem kommt C14 im Verhältnis zu dem gesamten Kohlenstoff in unserer Atmosphäre zu nur 10−10% vor, C12 hingegen zu 98,89% und C13 zu 1,11%. In unserer Atmosphäre bildet Kohlenstoff mit Sauerstoff Kohlenstoffdioxid, das Pflanzen für Photosynthese benötigen und in ihre Struktur einbauen. In diesem Prozess gelanget C14 in unseren biologischen Kreislauf. Durch ständigen Austausch von CO2 aller Lebewesen mit der Atmosphäre bleibt das Verhältnis der Kohlenstoff-Isotope sehr ausgeglichen. Stirbt jedoch ein Lebewesen, so wird sein Kohlenstoff aus dem Kreislauf herausgenommen und es ändert sich das Verhältnis zwischen C12, C13 und C14, da das zerfallende C14 immer weniger wird und durch den fehlenden Austausch nicht mehr erneuert wird.

3.2. Abbildung des C14-Krteislaufes

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Kapitel 4 – Messmethode

4.1 Der Flüssigkeitsszintillationszähler

Der Flüssigkeitsszintillationszähler, auch mit LSC, von dem englischen Wort Liquid Scintillation-Counter abstammend, abgekürzt, ist ein Messsystem zur automatischen Messung niederenergetischer Betastrahlung. Damit dieser in der Lage ist zu messen, wird die radioaktive Flüssigkeit homogen, heißt von gleicher Beschaffenheit, in diesem Fall flüssig, in einer Szintillationsflüssigkeit gelöst. (Vgl. Kapitel 4.2). Die Szintillationsflüssigkeit besteht aus einem Lösungsmittel, einem Lösungsvermittler und den Szintillatoren. Die Flüssigkeit besteht aus organischen Bestandteilen und muss bei der Bestrahlung Licht emittieren, also aussenden. Die Energie der Strahlung des radioaktiven Stoffes trifft auf die Lösungsmittelmoneküle und regt diese an. Die Energie wird an die Szintillatormoneküle weiter geleitet, welche dann Photonen aussenden, so genannte „Lichtquanten“. Die Photonen treffen auf die Kathoden von zwei Photoelektronenvervielfachern. Die Lichtquanten werden dort in Photoelekronen umgewandelt und beschleunigt. Die Photoelektronen werden von der ersten Dynode fokussiert und in den weiteren Dynoden verstärkt, sodass sie sich in der Photoanode in messbare elektrische Impulse umwandeln. Jeder elektrische Impuls entspricht dann einem radioaktiven Zerfall. Die zwei Photoelektronenvervielfacher, bzw. Photomultiplier sind durch eine Koinzidenzschaltung miteinander verbunden, um eine genauere Messung vorzunehmen (nur wenn ein Ereignis „zeitgleich“ von beiden Detektoren registriert wird handelt es sich um ein Ereignis aus der Probe und nicht um ein „Rauschereignis“).Etwas genauer lässt sich dies wie folgt erklären: Photomultipier nehmen auch eine große Zahl an Impulsen auf, die nicht durch einen radioaktiven Zerfall entstanden und damit Störmessungen sind. Damit diese das Messergebnis nicht verfälschen, werden 2 Multiplier in den Szintillationsdetektor eingebaut. Die beim Zerfall entstehenden Photonen werden in beiden Photomultipliern detektiert, sprich wahrgenommen, die Störimpulse nur ein dem jeweils gestörten Photoelektronenvervielfacher. Es werden also nur Impulse vermerkt, die gleichzeitig und gleichstark auf beide Photoelektronenvervielfacher stoßen. Jedoch können trotzdem Fehler auftreten und die Photonenanzahl oder die Lichtimpulse verfälschen. Die Fehler nennt man Quench. Es gibt den physikalischen und den chemischen Quench, sowie den Farbquench. Der physikalische Quench kann zustande kommen, wenn die Szintillationsflüssigkeit verunreinigt ist und somit die Teilchen ausbremst. Unter dem chemischen Quench versteht man eine Verunreinigung der Flüssigkeit durch Stoffe, die die Lichtimpulse abbauen und somit unmessbar für den Szintilliator machen. Der Farbquench entsteht durch Absorption von Photonen durch gefärbte Szintillationsflüssigkeit (genauer die Kombination aus Szintillationsflüssigkeit und Probenflüssigkeit) Die Quench Fehler müssen durch gesonderte Messungen bestimmt werden und bei der Auswertung der Ergebnisse berücksichtigt werden.

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4.2 Versuchsaufbau

Bei einem Versuch oder einer Messung muss erst eine Probe hergestellt werden. Um diese Probe herzustellen, braucht man in unserem Falle einen Szintillator, zu dem Szintillator kann man dann verschiedene Chemikalien mischen. In unserem Fall war dies Diesel, Benzin, Spiritus, Rapsöl. Um später eine Messung in einem Szintillationszähler machen zu können, muss man das Gemisch in ein Messfläschchen (Vial) geben. Diese werden dann in ein so genanntes Rack gestellt was später durch den oben genannten Szintillationszähler läuft. Wie stelle ich das Gemisch her? Ein Vial hat ein Fassungsvermögen von 20 ml Flüssigkeit. Diese Gesamtmenge haben wir aus 10 ml unserer Chemikalie und 10 ml des Szintillators zusammengesetzt. Die Flüssigkeiten wurden mit einem Peleusball und einer Pipette aus dem Vorratsgefäß in die Viales gegeben. Dieses Gemisch musste zur Homogenisierung gut geschüttelt werden und anschließend zur Verringerung der Signalstärke des Nachleuchtens der Szintillatorflüssigkeit durch die Aktivierung durch das Tageslicht im lichtdichten Messgerät für einige Tage gelagert werden. Die anschließenden Messungen liefen vollautomatisch ab. Die Messzeit wurde von der Maschine auf Grundlage des statistischen Fehlers selbst berechnet.

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Kapitel 5 - Durchführung von eigenen Messungen (Protokolle)

Diese erste Messreihe sollte dazu dienen in einer Vormessung zu erkunden, ob das Messverfahren mit den ausgewählten Proben funktioniert. Datum: 27.02.2009 Ort: FH Gießen Zeit: 14.00-16.30Uhr Beteiligte: Tina Sauerwein, Peter Rohn, Philipp Schnecko, Juri Eva, Laura Ruckelshaußen, Herr Kammer, Herr Breckow, Herr Koch Fehlende: Sinah Friedrich Materialien: Rack, Peleusball, Pipette, Messfläschchen (Vials) Chemikalien: Diesel, Benzin, Spiritus, Rapsöl, Rotiszint eco plus Durchführung: Diesel, Benzin, Rapsöl, Spiritus (jeweils 10ml) mit 10ml Szintillator in Vials geben und in das Rack stellen. Stoffe

Menge Szintillator (Rotiszint)

Rackstelle

Diesel

10ml 10ml 4

Benzin

10ml 10ml 2

Spiritus

10ml 10ml 1

Rapsöl

10ml 10ml 3

Szintillator (Rotiszint)

20ml 5

Die folgende Messung wurde nach dem Defekt des bisher eingesetzten Messgeräts auf einem Ersatzgerät durchgeführt. Ziel dieser Messreihe sollte die systematische Untersuchung der Konzentrationserhöhung von Rapsöl (als Beimischung von nachwachsenden Rohstoffen) im Diesel sein.

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Datum: 15.05.2009 Ort: FH Gießen Zeit: 14.30-16.30Uhr Beteiligte: Tina Sauerwein, Peter Rohn, Philipp Schnecko, Juri Eva, Sinah Friedrich, Herr Breckow Fehlende: Laura Ruckelshaußen, Herr Kammer, Herr Koch Materialien: Rack, Peleusball, Pipette, Messfläschchen (Vials) Chemikalien: Diesel, Bio-Diesel, Rapsöl, Rotiszint eco plus Durchführung: Je 5%, 10%, 15%,20% Rapsöl in ein Vial geben und mit Diesel auf 10ml auffüllen. Dann 10ml Szintillator (Rotiszint eco plus) dazugeben und das Vial in das Rack stellen. Stoffe

Menge Diesel Szintillator (Rotiszint)

Rackstelle

5% Rapsöl

0,5ml 9,5ml 10ml 2

10% Rapsöl

1ml 9ml 10ml 3

15%Rapsöl

1,5ml 8,5ml 10ml 4

20% Rapsöl

2ml 8ml 10ml 5

Rapsöl

10ml 10ml 9

Diesel

10ml 10ml 1

Bio-Diesel

10ml 10ml 6

Szintillator (Rotiszint)

10ml 7

Szintillator (Rotiszint)

20ml 8

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Kapitel 6 - Analyse der Ergebnisse

Die Messungen sollten zeigen, ob sich mit der oben beschriebenen Methode eine relativ einfache Möglichkeit ergibt, die Beimischungsquoten von nachwachsenden Rohstoffen zu den handelsüblichen Kraftstoffen zu überprüfen. Die Messungen wurden, wie bereits erwähnt, in der Fachhochschule durchgeführt. Die dortigen Analysegeräte wurden von Herrn Prof. Koch betreut. Es zeigte sich bei unseren Messungen, dass ein seit langem im Dienst befindliches Gerät defekt war und so auf ein „neues“ Gerät umgestellt werden musste. In einer ersten Messreihe (noch mit dem alten Gerät) wurde prinzipiell getestet, ob das Gerät für eine solche Messung geeignet ist. Die Daten sind hier nicht aufgeführt, denn es zeigten sich wie bereits erwähnt gewisse Unregelmäßigkeiten, die auf einen Defekt des Gerätes hinwiesen. Jedoch gab der Trend der Werte Hoffnung mit einem perfekt funktionierenden Ersatzgerät erfolgversprechende Daten zu erhalten. Nach einer etwas längeren Inbetriebnahmephase wurde nun eine systematische Messreihe mit Diesel und Rapsöl präpariert. Die Beschränkung auf Diesel und Rapsöl resultierte aus der sicheren Verfügbarkeit der beiden Mischungskomponenten. Auf die Möglichkeit der Mischung von Benzin wird in Kapitel 7 noch kurz eingegangen. Bei der Mischung der beiden Komponenten entstand eine etwas milchige Flüssigkeit, die ein Grund für die unten diskutierten Ergebnisse darstellen könnte. Betrachtet man die erhaltenen Ergebnisse genauer, so muss man die Rohdaten noch weiteren Auswertungsschritten unterziehen, die hier aufgelistet sind. Das eingesetzte Gerät lieferte die folgenden Rohdaten (Ergänzt durch die Art der Probe in der letzen Spalte): Probennummer Position im

Rack H-Nummer Zählrate in

CPM Fehler in % Art der Probe

1 5-1 290,3 140,7 2,66 Diesel mineralisch

2 5-2 295,8 73,68 3,88 5% Rapsöl in Diesel

3 5-3 291,1 94,87 2,82 10% Rapsöl in Diesel

4 5-4 291,5 75,71 3,15 15% Rapsöl in Diesel

5 5-5 289,3 92,05 2,75 20% Rapsöl in Diesel

6 5-6 265,1 36,49 3,99 Bio-Diesel

7 5-7 70,9 20,36 2,00 Szintillator 10ml

8 5-8 71,1 22,82 1,88 Szintillator 20ml

9 5-9 206,6 91,73 2,04 100% Rapsöl

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Diese Daten müssen nun in mehreren Auswertungsschritten bearbeitet werden, um die Aktivität der Proben in Bq zu erhalten. Als ersten Auswertungsschritt führt man eine Untergrundkorrektur aus. Diese berücksichtigt, dass auch eine „Probe“ aus reiner Szintillationsflüssigkeit ein Signal ergibt, welches bei einer realen Messung auch vorhanden ist und deshalb als Untergrund abgezogen werden muss. Aus der obigen Tabelle entnimmt man, dass wir zwei solche Messungen (Nr. 7 und 8) durchgeführt haben. Einmal mit 20ml Szintillatorflüssigkeit (Nr. 8; entspricht einem vollen Proberöhrchen wie in den eigentlichen Messungen) und einmal mit 10ml Szintillatorflüssigkeit (Nr. 7; entspricht der üblicherweise verwendeten Menge an Szintillatorflüssigkeit). Wie man erkennt sind die Unterschiede zwischen den beiden Messungen nicht sehr groß. Wir haben uns entschieden die Untergrundkorrektur mit der Messung 8 durchzuführen, um die Ausleuchtung der Detektoren durch einen identischen Füllstand im Probenröhrchen vergleichbar mit den eigentlichen Messungen zu halten. Das Ergebnis der Untergrundkorrektur ist in der folgenden Tabelle zu sehen. In einem nächsten Schritt muss man eine Quenchkorrektur der Daten vornehmen. Als Quench bezeichnet man den Effekt, dass die Probe selbst eine gewisse Signalrate „wegschluckt“. Somit sind gerade bei milchigen Proben die gemessenen Werte kleiner als die eigentliche Aktivität. Das Analysegerät berücksichtigt diesen Effekt durch die Ausgabe einer sogenannten H-Nummer bei jeder Messung. Zu jeder H-Nummer ergibt sich aus einer separaten Messung (vgl. unten) ein Korrekturwert, der in der folgenden Tabelle eingearbeitet ist und somit die eigentliche Signalstärke als „Signal Quenchkorrigiert“ ausweist. Probennummer H-

Nummer Effizienz Zählrate

in CPM Zählrate in CPM ohne Untergrund

Zählrate in CPM Quenchkorrigiert

Art der Probe

1 290,3 0,6387 140,7 117,88 184,562392 Diesel mineralisch

2 295,8 0,624936 73,68 50,86 81,3843338 5% Rapsöl in Diesel

3 291,1 0,636426 94,87 72,05 113,210334 10% Rapsöl in Diesel

4 291,5 0,636426 75,71 52,89 83,1047129 15% Rapsöl in Diesel

5 289,3 0,640966 92,05 69,23 108,008849 20% Rapsöl in Diesel

6 265,1 0,69295 36,49 13,67 19,727253 Bio-Diesel

7 70,9 20,36 -2,44 Szintillator 10ml

8 71,1 22,82 0 Szintillator 20ml

9 206,6 0,799554 91,73 68,91 86,1855484 100% Rapsöl

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Zur Ermittlung der Effizienz steht ein sogenanntes Quenchset zur Verfügung. Dieses besteht aus 11 Proben und hat eine definierte Signalrate von 147677 CPM. Führt man nun eine Messung mit diesem Quenchset durch, kann man aufgrund der vom Gerät ausgegebenen H-Nummern und der bekannten Signalrate eine Kalibrierkurve erzeugen (s. unten), die jeder H-Nummer eine bestimmte Effizienz zuweist. Die Effizienzwerte in obiger Tabelle sind aus der Kalibrierkurve berechnet. Als Rohdaten erhält man die unten aufgeführte Tabelle, aus dieser dann die im Anschluss angefügte Kalibrierkurve durch eine quadratische Anpassung erzeugt wurde. Art der Probe H-Nummer Effizienz Zählrate in

CPM Zählrate in CPM ohne Untergrund

Fehler in %

Test 1 2 0,96956818 143200 143182,92 1,67

Test 2 48,2 0,94397178 139420 139402,92 1,69

Test 3 145,5 0,87232893 128840 128822,92 1,76

Test 4 175,3 0,8386744 123870 123852,92 1,8

Test 5 184,7 0,84002871 124070 124052,92 1,8

Test 6 227,2 0,76581269 113110 113092,92 1,88

Test 7 273,4 0,68143936 100650 100632,92 1,99

Test 8 284,2 0,6474688 95633,33 95616,25 1,67

Test 9 313,1 0,5771351 85246,66 85229,58 1,77

Test 10 352,7 0,46761683 69073,33 69056,25 1,96

Test 11 -4,8 17,08 0 20,11

y = -4E-06x2 + 5E-05x + 0,9606

R2 = 0,9978

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 50 100 150 200 250 300 350 400

H-Nummer

Eff

izie

nz

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Mit Hilfe dieser Auswertungsschritte wurden die Daten der ersten Tabelle weiterbearbeitet und man erhält das folgende Endergebnis. Probennummer Art der Probe H-Nummer Zählrate

Quenchkorrigiert in CPM

Aktivität in Bq

Fehler in %

1 Diesel mineralisch

290,3 184,562392 3,07603987 2,66

2 5% Rapsöl in Diesel

295,8 81,3843338 1,35640556 3,88

3 10% Rapsöl in Diesel

291,1 113,210334 1,8868389 2,82

4 15% Rapsöl in Diesel

291,5 83,1047129 1,38507855 3,15

5 20% Rapsöl in Diesel

289,3 108,008849 1,80014749 2,75

6 Bio-Diesel 265,1 19,727253 0,32878755 3,99

7 Szintillator 10ml

70,9 2,00

8 Szintillator 20ml

71,1 1,88

9 100% Rapsöl 206,6 86,1855484 1,43642581 2,04 In der folgenden Grafik sind die Ergebnisse der Mischungsversuche dargestellt. Auf den ersten Blick könnte man einen Trend zu einer höheren Aktivität bei einem erhöhten Beimischungsgrad erkennen, jedoch zeigt sich, dass dieser Trend nicht innerhalb der Fehlergrenzen liegt und auch völlig im Widerspruch zu den reinen Proben (Diesel mineralisch und 100% Rapsöl) liegt.

y = 1,6589x + 1,3998

R2 = 0,1511

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0% 5% 10% 15% 20% 25%

Beimischungsverhältnis Rapsöl in Diesel

Akti

vit

ät

in B

q

16

Kapitel 7 - Zusammenfassung der Ergebnisse

Betrachtet man die Ergebnisse des Projekts, so muss man feststellen, dass die hier vorgestellte Analysemethode in dieser Form noch nicht geeignet ist das Ziel einer Festlegung des Beimischungsgehalts an nachwachsenden Rohstoffen in Kraftstoffen zu bestimmen. Die Ursache, warum dieses Ziel nicht erreicht wurde, konnte auch mit den Betreuern nicht endgültig und zweifelsfrei geklärt werden. Folgende Punkte könnten als Ursache in Frage kommen. Durch den Wechsel des Analysegeräts an der Fachhochschule liegt in diesem Bereich noch eine kleine Unsicherheit, die jedoch nicht sehr wahrscheinlich zu deutlich anderen Ergebnissen führen wird, da die Messung des Quenchsets sehr vernünftige Ergebnisse ergeben hat. Ein weiterer Punkt könnte die ohnehin sehr schwache Aktivität der Proben und die damit verbundene Problematik der Nachweisgrenze des Geräts darstellen. Diese Unsicherheit müsste durch weitere Messungen überprüft und ausgeschlossen werden. Die Zusammensetzung der Proben könnte aufgrund der Mischung der beiden Partner und der daraus resultierenden Konsistenz ein Problem darstellen, so dass versucht werden sollte dem Diesel nicht reines Rapsöl beizumischen. Auch könnte die deutliche Färbung des Diesels selbst bereits Einfluss auf die Messungen nehmen. Diese Problematik könnte man auch durch Verwendung von Benzin statt Diesel und selbstdestillierten Alkohol statt Rapsöl umgehen. Vorbereitungen hierzu (Anforderung von reinem „alten“ Ottokraftstoff und eigene Produktion des Alkohols) wurden bereits getroffen. Die Proben konnten aber bis zum Abschluss des Projekts nicht mehr gemessen werden.

Als Ausblick sollten die oben diskutierten Punkte in einem neuen Projekt aufgegriffen werden, da wir von der Idee und ihrer prinzipiellen Umsetzung weiterhin überzeugt sind.

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Kapitel 8 - Literatur und Danksagung

Zum Erstellen dieser Projektdokumentation benutzen wir folgende Quellen: www.wikipedia.de http://books.google.de www.spiegel.de www.stern.de Schulportfolio Jahrgang 10 über die Radioaktivität Schlussendlich möchten wir noch sagen, dass uns das Projekt trotz einiger Schwierigkeiten sehr viel Spaß gemacht hat und wir viel dazugelernt haben. All die Zeit und Mühe, die wir investiert haben, hat sich gelohnt, auch wenn wir manchmal nicht weiterwussten. Durch die Hilfe unseres Lehrers und einigen Mitarbeitern der Fachhochschule Gießen – Friedberg wurden die meisten Probleme aber dennoch gelöst. Besonderer Dank gilt deshalb Dr. Sven Kammer, der uns als betreuende Lehrkraft seitens der Theo-Koch-Schule Grünberg mit Rat und Tat zur Seite gestanden hat und Herrn Breckow und Herrn Koch, welche uns mit ihrem Fachwissen und ihrer Geduld geholfen haben, die Messreihen durchzuführen und auszuwerten. Juri Eva, Sinah Friedrich, Peter Rohn, Laura Ruckelshaußen, Tina Sauerwein, Philipp Schnecko