Erkenntnisse zur Klimawirkung von Hyperschall-Luftverkehr für Paul-Crutzen-Publikationspreis nominiert
8. August 2023
Erkenntnisse zur Klimawirkung von Hyperschall-Luftverkehr für Paul-Crutzen-Publikationspreis nominiert
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Abb. 1: Verteilung der Langstreckenflüge, die mit Hyperschallgeschwindigkeit durchgeführt werden könnten. Dargestellt ist die Emission von Wasserdampf, der bei der Verbrennung des Treibstoffs Flüssigwasserstoff entsteht.
Credit:
from Pletzer et al., 2022, CC-BY 4.0
Der Paul-Crutzen-Publikationspreis wird jedes Jahr vom Journal Atmospheric Chemistry and Physics für herausragende Veröffentlichungen verliehen. Seit diesem Jahr wird die engere Auswahl an Publikationen für den Preis mitveröffentlicht. Die Publikation, die die Erkenntnisse zur Klimawirkung von Hyperschall-Luftverkehr beinhaltet, hatte es auf diese "Shortlist", bestehend aus sechs Publikationen, geschafft.
Der stetig voranschreitende Klimawandel erfordert auch eine drastische Reduzierung der Klimawirkung der zivilen Luftfahrt. Neben der Verbesserung der Effizienz der Flugzeuge und deren Betrieb werden auch neue innovative Konzepte untersucht. In diesem Zusammenhang ist eine drastische Reduktion der Reisezeit durch höhere Fluggeschwindigkeiten von Interesse. Solche Flugzeugkonzepte werden in den EU-Projekten STRATOFLY und MORE&LESS hinsichtlich der Technologie und deren Auswirkung auf die Umwelt untersucht. Die Idee, Langstrecken (Abb. 1) in wenigen Stunden (eine Größenordnung kürzer im Vergleich zum derzeitigen zivilen Luftverkehr) zurückzulegen, fasziniert die Luftfahrtbranche mit vielversprechenden Geschäftsmodellen.
Um solche Ansätze tragfähig für die Zukunft zu gestalten, wurden zwei unterschiedliche Flugzeug-Konzepte (ZEHST[1] und LAPCAT[2]) näher untersucht, um deren Klimawirkung besser zu verstehen. Als Treibstoff wird für beide Konzepte Flüssigwasserstoff verwendet, unter der Prämisse, dass dieser klimaneutral erzeugt werden kann. Die Flugzeuge haben eine Geschwindigkeit von Mach 5 (~6000 km/h), bzw. Mach 8 (~9500 km/h) und fliegen in einer Höhe von ungefähr 25 bzw. 35 km, also in der Stratosphäre, weit oberhalb des täglichen Wettergeschehens und emittieren in dieser Höhe etwa 18 bzw. 21 Tg Wasserdampf pro Jahr (1 Tg = 1 Giga-tonne).
Abb. 2: Erhöhung des Wasserdampfs in der Atmosphäre durch Emissionen potentieller Hyperschallflotten. Der natürliche Wasserdampf-Hintergrund beträgt in etwa 4000-5000 ppbv (=4-5 Wasserdampf-Teilchen pro 1 Millionen Luftteilchen). Dargestellt sind Ergebnisse von 2 Klima-Chemie-Modellen (oben/unten) und den 2 unterschiedlichen Flugzeugkonzepten (rechts/links) (aus Pletzer et al. 2022; CC BY 4.0).
Mit zwei unterschiedlichen Klima-Chemie-Modellen wurde die Wirkung dieser Wasserdampfemissionen auf die Atmosphäre untersucht (Abb. 2). Es zeigt sich, dass die trockene Stratosphäre durch die Emissionen dieser Flugzeuge deutlich feuchter wird und dass bei einer größeren Flughöhe, die Akkumulation des Wasserdampfs deutlich größer ist. Diese Ergebnisse sind überraschend, da eigentlich in diesen Höhen Wasserdampf durch eine sehr aktive Photochemie chemisch rasch abgebaut wird und die Akkumulation gering ausfallen sollte. Diesen Abbau bestätigen die Modelle auch, jedoch führt eine Rekombination der Abbauprodukte wieder zu Wasserdampf, gleichzeitig wird mehr Methan abgebaut, das ebenfalls zu einer Produktion von Wasserdampf führt. Diese chemischen Prozesse (Abb. 3) überkompensieren damit den ursprünglichen Abbau von Wasserdampf in diesen großen Höhen. Damit konnte deutlich gezeigt werden, dass die Flughöhe ein entscheidender Faktor für die Wasserdampfanreicherung in der Stratosphäre ist. Dies hat eine deutliche Auswirkung auf die Klimawirkung potentieller Hyperschallflotten. Eine genauere Untersuchung der Klimawirkung hat ergeben, dass diese etwa 10- bis 20-mal so groß ist, wie die Klimawirkung eines repräsentativen Flugzeuges mit einer üblichen Fluggeschwindigkeit. Dies sind wichtige Erkenntnisse, die in dem EU-Projekt MOREandLESS verwendet werden, um die Klimawirkung durch die Wahl niedrigerer Flughöhen und anderer Treibstoffe deutlich zu minimieren.
Abb. 3: Illustration of the increase of recombination of chemical trace gases into water vapor for two different hypersonic aircraft concepts (aus Pletzer et al. 2022; CC BY 4.0).
