Deutlich geringere Klimawirkung von Kondensstreifen durch nachhaltige Kraftstoffe
17. Juni 2021 | Flugversuche von DLR und NASA zeigen:
Deutlich geringere Klimawirkung von Kondensstreifen durch nachhaltige Kraftstoffe
Gemeinsame Forschungsflüge über Deutschland
Dicht hinter dem DLR A320 ATRA (Advanced Technology Research Aircraft) fliegt das "Fliegende Labor" der NASA in einer DC-8 im Abgasstrahl des Airbus. An Bord messen Wissenschaftler die Zusammensetzung des Abgasstrahls und untersuchen die Auswirkungen von Biofuels wie HEFA auf die Bildung von Rußpartikeln und Eiskristallen.
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NASA and DLR flight tests on alternative fuel emissions
On January 2018, the German Aerospace Center (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, DLR) and the US National Aeronautics and Space Administration (NASA) are set to conduct joint research flights in Germany for the first time. The focus will be on alternative fuel emissions and the characterisation of ice crystals in condensation trails (contrails), using biofuel as an example.
In den Tanks des DLR ATRA ist herkömmliches Luftfahrtbenzin mit Bio-Treibstoffen vermischt, um die Auswirkung von alternativen Treibstoffen auf die Bildung von Wasserkristallen und CO2 in den Abgasen zu untersuchen.
Nachhaltige Kraftstoffe verringern die Eiskristallanzahl in Kondensstreifen und damit ihre Klimawirkung.
Flugversuche fanden 2018 mit dem DLR-Forschungsflugzeug A320 ATRA und dem NASA-Forschungsflugzeug DC-8 ausgehend von der Ramstein Air Base statt.
Schwerpunkte: Luftfahrt, alternative Kraftstoffe, klimafreundliches Fliegen.
Kondensstreifen verursachen noch vor CO2 den größten Anteil zur Klimaerwärmung durch die Luftfahrt. Nun haben Forschende des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) gemeinsam mit der NASA herausgefunden, dass sich die Klimawirkung von Kondensstreifen senken lässt. Mit der Verwendung einer 50-50-Mischung aus Kerosin und nachhaltigem Kraftstoff (SAF) erzielten sie eine Halbierung der Eiskristallanzahl in Kondensstreifen unter realen Flugbedingungen. Dies führt zu einer 20 bis 30 Prozent geringeren Klimawirkung der Kondensstreifen. Das Forscherteam berichtet seine Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe des Fachjournals NATURE Communications Earth and Environment. Die Ergebnisse öffnen einen Pfad, die Klimawirkung des Luftverkehrs bereits kurzfristig spürbar zu verringern.
„Wir konnten bei den gemeinsamen Flugversuchen des DLR und der NASA 2018 eindeutig nachweisen, dass weniger Rußpartikel durch nachhaltige Kraftstoffe in den Abgasen weniger Eiskristalle in Kondensstreifen zur Folge haben. Dazu sind die Eiskristalle im Mittel etwas größer“, erklärt Prof. Christiane Voigt vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre in Oberpfaffenhofen. „Dieser Nachweis ist ein Durchbruch für die Möglichkeiten einer klimafreundlicheren Luftfahrt. Denn eine geringere Anzahl von Eiskristallen verringert den durch Kondensstreifen verursachten zusätzliche Energieeintrag in die Atmosphäre. Damit verringert sich die klimawärmende Wirkung der Kondensstreifen-Bewölkung deutlich.“
Verfolgungsflug im Abgasstrahl
Die Flugversuche starteten 2018 von der Ramstein Air Base in Rheinland-Pfalz. Mehrfach flog das DLR-Forschungsflugzeug ATRA, ein Airbus A320, mit verschiedenen Kraftstoffmischungen über Deutschland. Darunter befand sich reines Jet A-1 Kerosin als Referenz sowie 70-30- und 50-50-Mischungen von Kerosin und dem nachhaltigen Bio-Kraftstoff HEFA (Hydroprocessed Esters and Fatty Acids). Das NASA-Forschungsflugzeug DC-8 folgte dem A320 mit ein bis zwei Minuten Verzögerung, um Daten über dessen Emissionen und Kondensstreifen zu erfassen. Dabei kamen zahlreiche größtenteils von NASA und DLR installierte Messgeräte zum Einsatz. Die gemeinsame Forschungskampagne fand unter dem Namen ND-MAX/ECLIF 2(NASA/DLR-Multidisciplinary Airborne eXperiments/Emission and CLimate Impact of alternative Fuel) gemeinsam mit den weiteren Partnern FAA, NRC, Aerodyne, Missouri S&T, Boeing, dem Max-Planck-Institut für Chemie sowie den Universitäten Mainz, Innsbruck und Oslo statt.
„Wir betrachten in unserer Arbeit mehr als nur einzelne Technologien, sondern immer auch das Flugzeug und den Luftverkehr als Gesamtsystem. Damit verfügt das DLR über die Systemkompetenz in der Luftfahrt“, betont Prof. Anke Kaysser-Pyzalla, Vorstandsvorsitzende des DLR. „Wir sehen uns in der Funktion eines Architekten für die Luftfahrtforschung. Von den Grundlagen bis hin zur Anwendung in enger Abstimmung und in Kooperation mit internationalen Forschungspartnern, der Luftverkehrsindustrie und -wirtschaft. Damit leisten wir unseren Beitrag zum Green Deal in der Luftfahrt.“
Nachhaltige Flugkraftstoffe
Nachhaltige Kraftstoffe werden ohne Erdöl aus regenerativen Quellen gewonnen und weisen einen geringeren CO2-Fußabdruck als fossiles Kerosin auf. Hier sind Kraftstoffe auf Basis von Pflanzen oder Abfällen denkbar, aber auch in naher Zukunft sogenannte E-Fuels, die mithilfe von regenerativen Energien und nachhaltig gewonnenem – sogenanntem – grünen Wasserstoff synthetisiert werden. „Alle diese nachhaltigen Kraftstoffe haben gemeinsam, dass sie ohne zyklische Kohlenwasserstoffe, sogenannte Aromate, produziert werden können“, erläutert Dr. Patrick Le Clercq, ECLIF-Projektleiter vom DLR-Institut für Verbrennungstechnik in Stuttgart. „Weniger Aromate im Kraftstoff bedeutet weniger Ruß in den Emissionen und damit weniger Eiskristalle in den Kondensstreifen. Damit verringern nachhaltige Kraftstoffe die beiden größten klimawärmenden Effekte der Luftfahrt, Kondensstreifen und den CO2-Fußabdruck.“
Ruß, Eiskristalle, Kondensstreifen
Flugzeugtriebwerke stoßen Rußpartikel aus. Diese wirken als Kondensationskeime für kleine unterkühlte Wassertropfen, die sofort zu Eiskristallen gefrieren und als Kondensstreifen am Himmel sichtbar werden. Die Eiskristalle der Kondensstreifen können bei feucht-kalten Bedingungen in Höhen von etwa 8 bis 12 Kilometern mehrere Stunden bestehen und hohe Wolken, sogenannte Kondensstreifen-Zirren bilden. Diese Wolken können je nach Sonnenstand und Untergrund lokal eine wärmende oder kühlende Wirkung entfalten. Dabei zeigen Forschungsarbeiten, dass global die wärmende Wirkung überwiegt. Das Auftreten dieser Wolken ist zeitlich und räumlich äußerst variabel, so dass einige wenige Kondensstreifen-Hotspots für einen großen Teil der wärmenden Wirkung verantwortlich sind.
Kondensstreifen und die resultierenden Kondensstreifen-Zirren verbleiben nur einige Stunden am Himmel. Ist die Anzahl ihrer Eiskristalle verringert, reduziert sich ihre wärmende Wirkung zeitnah. Das macht den gezielten Einsatz von nachhaltigen Kraftstoffen auf Flugrouten mit häufiger Kondensstreifenbildung besonders attraktiv, um eine schnelle Wirkung für den Klimaschutz zu erzielen. Die Vermeidung von CO2-Emissionen durch fossile Brennstoffe bringt langfristig einen wichtigen Gewinn, denn CO2 verbleibt mehr als 100 Jahre in der Atmosphäre und treibt die Erderwärmung an.
„Mit den sogenannten Sustainable Aviation Fuels SAF verfügen wir über eine Brückentechnologie auf dem Weg zu einer emissionsfreien Luftfahrt“, erklärt Dr. Markus Fischer, Bereichsvorstand Luftfahrt des DLR. „In die gemeinsamen Flüge mit der NASA und deren Auswertung haben wir die wissenschaftlich-technischen Kompetenzen des DLR auf dem Gebiet der alternativen Kraftstoffe, Verbrennungstechnologie und Klimawirkung des Luftverkehrs präsent eingebracht. Dies geschieht ebenso in enger Partnerschaft mit der Industrie.“
Nächster Schritt, fliegen mit 100 Prozent nachhaltigem Kraftstoff
Nach den vielversprechenden Ergebnissen für 50-50-Mischungen aus Kerosin und nachhaltigem Kraftstoff schauen die Forschenden nun gespannt darauf, wie sich Flüge mit reinem SAF auf die Emissionen und Kondensstreifen auswirken. Dazu fanden kürzlich gemeinsame Flugversuche von Airbus, Rolls-Royce, DLR und weiteren Partnern statt. Im Rahmen des Projekts ECLIF 3 flog ein Airbus A350-900 mit dem reinen nachhaltigen Flugkraftstoff HEFA, verfolgt vom DLR-Messflugzeug Falcon 20-E. Die Daten der Flüge werden derzeit ausgewertet. Weitere Testflüge sind für den Herbst 2021 geplant.
DLR – Forschung für einen klimaneutralen Luftverkehr
Die Folgen des Klimawandels fordern unser Handeln für einen klimaneutralen Luftverkehr. Dabei geht es um neue Technologien die auch in Zukunft eine globale Mobilität gewährleisten. Mit 25 Instituten und Einrichtungen in der Luftfahrtforschung treibt das DLR diesen Wandel mit nachhaltigen Technologien für eine zukunftsfähige umweltverträgliche Luftfahrt voran. Eine wichtige Rolle spielen dabei auch unsere Kompetenzen aus den Forschungsprogrammen Raumfahrt, Energie und Verkehr.
Das DLR verfügt über eine Systemkompetenz in der Luftfahrtforschung und sieht sich in der Funktion eines Architekten. Das Ziel des DLR ist eine „emissionsfreie Luftfahrt“ um die gesetzten Klimaziele zu erreichen. Dabei müssen die Forschungsergebnisse direkt in die Entwicklung neuer Produkte einfließen.
Auf dem Weg zum klimaverträglichen Luftverkehr besteht ein erheblicher Forschungs- und Entwicklungsbedarf, der einer kontinuierlichen Förderung und Unterstützung bedarf. Vieles davon muss in den Grundlagen erforscht, praktisch erprobt und zugelassen werden. Das DLR kann das mit Großanlagen wie seinen Forschungsflugzeugen, Antriebsdemonstratoren und Großrechnern. Im Jahr 2020 hat das DLR gemeinsam mit dem BDLI das Whitepaper ZERO EMISSION AVIATION veröffentlicht. Aktuell arbeitet das DLR an einer ZEROEMISSION-Strategie.
