Eine Beimischung von 50 % Biotreibstoff reduziert im Reiseflug die Rußpartikelemissionen eines Flugzeugtriebwerks um 50 bis 70 % gegenüber der Verbrennung von reinem Kerosin. Dies zeigt eine nun im Fachjournal „Nature“ erschienene Studie, die auf gemeinsamen Forschungsflügen der NASA, des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und des kanadischen National Research Council (NRC) beruht. Die Ergebnisse liefern weltweit erstmals wichtige Anhaltspunkte darüber, wie Biotreibstoffe in der Luftfahrt nicht nur die Emissionen im Umfeld von Flughäfen mindern, sondern auch im Reiseflug zu einer klimafreundlichen Entwicklung des Luftverkehrs beitragen können.
Klimafaktor Kondensstreifen-Zirren – durch Biotreibstoff reduziert
Flugzeugtriebwerke stoßen Rußpartikel aus. Diese wirken als Kondensationskeime für kleine Eiskristalle, die als Kondensstreifen 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.
„Kondensstreifen-Zirren haben heute eine ähnlich große Klimawirkung wie alle über mehr als 100 Jahre in der Atmosphäre gesammelten Kohlendioxid-Emissionen des Luftverkehrs zusammen“, sagt der Co-Autor des „Nature“-Artikels Dr. Hans Schlager vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre. „Die Rußemissionen bestimmen weitgehend die Anzahl der Eiskristalle in Kondensstreifen. Mit der Möglichkeit anhand von Biotreibstoffen die Rußemissionen in Triebwerksabgasen um mehr als die Hälfte zu verringern, öffnet sich ein Weg die Klimawirkung von Kondensstreifen zu reduzieren.“
Auf 30 Meter im Abgasstrahl heran
Das DLR-Forschungsflugzeug Falcon flog im Mai 2014, ausgestattet mit modernster Instrumentierung und besetzt mit einer Crew von Spezialisten des DLR-Instituts für Physik der Atmosphäre und des DLR-Forschungsflugbetriebs, in die USA. Dort führten die Forscher Messungen im Abgasstrahl im Abstand von 30 bis 150 Metern zum NASA-Forschungsflugzeug DC-8 durch. Die CFM56-Triebwerke der DC-8 wurden dabei zum Vergleich abwechselnd mit regulärem Jet A1-Flugtreibstoff und einer 1:1-Mischung aus Jet A1 und dem Biotreibstoff HEFA (Hydroprocessed Esters and Fatty Acids) betrieben. HEFA wird aus dem Öl von Leindotter-Pflanzen gewonnen.
Zuvor durchgeführte Messungen hatten nur Aufschluss über die Rußentstehung bei Biotreibstoffen am Boden geliefert, wobei im Flug andere Umgebungsbedingungen herrschen. „Es ist das erste Mal, dass wir im Flug die Anzahl emittierter Rußpartikel eines Triebwerks, das beigemischten Biotreibstoff verbrennt, gemessen haben“, sagt Dr. Rich Moore, NASA-Wissenschaftler und Hauptautor des „Nature“-Artikels. Die vom Armstrong Flight Research Center der NASA am Standort Palmdale/Kalifornien ausgehende Flugversuchskampagne war Teil des Forschungsprojekts ACCESS (Alternative Fuel Effects on Contrails and Cruise Emissions Study) an dem sich das DLR auf Einladung der NASA beteiligte. Zusammen mit der Falcon 20E des DLR führten noch die Messflugzeuge Falcon HU-25C der NASA und T-33 des kanadischen NRC Messungen im Abgas der vorausfliegenden DC-8 durch.
Kabine der Falcon mit Messgeräten. Bild: DLR
Erfahrene Crew und erprobte Messausrüstung
Mehr als ein Dutzend Instrumente in den Verfolgerflugzeugen zeichneten die emittierten Rußpartikel und Gase der vorausfliegenden DC-8 auf. „Messungen im Nachlauf von Flugzeugen erfordern viel Erfahrung der Crew und eine erprobte Messausrüstung, die das DLR sich über mittlerweile viele Jahre aufgebaut hat“, erklärt DLR-Missionsleiter Schlager. „Seit dem Jahr 2000 wurde die DLR-Falcon bereits in verschiedenen Messkampagnen eingesetzt, um die Emissionen und Kondensstreifen von Verkehrsflugzeugen zu untersuchen.“
Bewährte Zusammenarbeit
Bereits seit 18 Jahren arbeiten DLR und NASA im Bereich der Atmosphärenforschung zusammen. In der Luftfahrtforschung engagieren sich beide Partner insgesamt besonders bei gemeinsamen Forschungsprojekten in den Bereichen Luftverkehrsmanagement sowie lärm- und emissionsarmes Fliegen. Ein Highlight der Zusammenarbeit waren die gemeinsamen Forschungsflüge im Mai 2014. Auch künftig ist eine enge Kooperation bei der Erforschung von Biotreibstoff-Emissionen geplant. Die NASA wird sich im Rahmen des DLR-eigenen Projekts ECLIF (Emissions and Climate Impact of alternative Fuel) bei Forschungsflügen Anfang 2018 in Deutschland mit der DC8 beteiligen. Hier wollen die Forscher genauer untersuchen, wie sich die Zusammensetzung verschiedener alternativer Treibstoffe auf die Emissionen und klimarelevanten optischen Eigenschaften von Kondensstreifen auswirken.
