Gemeinsame Flugversuche zu Emissionen alternativer Kraftstoffe

NASA und DLR untersuchen Klimawirkung des Luftverkehrs:

Seit dem 14. Januar sind auf der US-Air Base in Ramstein zwei besondere Flugzeuge stationiert. Das Forschungsflugzeug DC-8 der US-Luft- und Raumfahrtbehörde NASA und das Forschungsflugzeug A320 ATRA des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) fliegen drei Wochen lang gemeinsame Forschungsflüge über Norddeutschland.

Im Fokus der Flüge stehen die Emissionen von alternativen Kraftstoffen und die Charakterisierung der Eiskristalle in Kondensstreifen, wobei Biokraftstoff zum Einsatz kommt. „Für insgesamt acht geplante gemeinsame Forschungsflüge haben wir Kraftstoff-Mischungen mit einem Anteil von 30 Prozent bis 50 Prozent beigemischtem HEFA“, erklärt Dr. Patrick Le Clercq vom DLR-Institut für Verbrennungstechnik. Der exemplarisch gewählte Biotreibstoff HEFA (Hydroprocessed Esters and Fatty Acids) wird zu großen Teilen aus dem Öl von Leindotter-Pflanzen gewonnen. Er steht hier exemplarisch für alternative Kraftstoffe, die auch synthetisch sein könnten. Der Kraftstoff wurde im Vorfeld eigens produziert und nach Ramstein transportiert.

Neben den Emissionen interessiert das internationale Forscherteam ebenfalls, wie sich die verschiedenen Kraftstoffmischungen auf die Leistungsfähigkeit der Triebwerke auswirken. „Biotreibstoffe wie HEFA unterscheiden sich In ihrer Zusammensetzung zu herkömmlichem Kerosin dadurch, dass sie reine Paraffine sind und keine zyklischen Kohlenwasserstoffe beinhalten. In Mischung mit herkömmlichem Jet A-1 Kerosin erhält man einen zugelassenen Kraftstoff“, erläutert Le Clercq. „Diese veränderte Zusammensetzung hat Auswirkungen auf die Bildung von Ruß bei der Verbrennung.“

Erste gemeinsame DLR und NASA-Flüge im Jahr 2014 in Palmdale/Kalifornien zeigten, dass eine Beimischung von 50 Prozent alternativem Kraftstoff im Reiseflug die Rußpartikelemissionen eines Flugzeugtriebwerks um 50 bis 70 Prozent gegenüber der Verbrennung von reinem Kerosin reduziert. Mit den nun geplanten Forschungsflügen sollen die Partikelemissionen und ihr Einfluss auf die Wolkenbildung aus Kondensstreifen und damit ihre Klimawirkung bestimmt werden.

Im Rahmen der internationalen Forschungsmission wird das DLR-Forschungsflugzeug A320 ATRA (Advanced Technology Research Aircraft) mit verschiedenen Kraftstoffmischungen fliegen, während das vollinstrumentierte „Fliegende Labor“ DC-8 der NASA in sicherem Abstand folgt, um Im Abgasstrahl Rußpartikel, Gasemissionen und Eiskristalle im Kondensstreifen zu messen. Dabei sind zahlreiche Messgeräte des DLR an Bord des NASA-Flugzeugs installiert, die von DLR-Wissenschaftler und Ingenieure am Heimatstandort der DC-8 beim Armstrong Flight Research Center der NASA in Kalifornien in das Flugzeug eingebaut wurden. „Wir haben Instrumente zur simultanen Vermessung der Größenverteilung der Ruß-und Eispartikel sowie der gasförmigen Emissionen im Nachlauf des ATRA an Bord der DC8 installiert“, berichtet Dr. Hans Schlager vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre. „Der Fokus unserer Messungen liegt darauf, die Emissionen beim Einsatz verschiedener Kraftstoffmischungen zu charakterisieren. Besonders interessiert uns wie sich die Rußemissionen der unterschiedlichen Treibstoffe auf die Strahlungseigenschaften und Lebensdauer der Kondensstreifen auswirken.“

Bisherige Ergebnisse der Forschungsflüge zeigten eine deutliche Verringerung der Rußemissionen bei alternativen Kraftstoffen und legen nah, dass damit die Anzahl an Eiskristallen in Kondensstreifen reduziert wird. „Die geringere Rußemission bei diesen Kraftstoffen ist eine gute Nachricht für die Umwelt, und sie wäre noch besser, wenn die Flugtests bestätigen, dass sich damit auch die Anzahl der Eiskristalle in Kondensstreifen reduzieren lässt“, sagt Bruce Anderson, wissenschaftlicher Leiter der Mission bei der NASA. DLR-Forscher Dr. Hans Schlager ergänzt: „Diese Frage ist von großer Bedeutung, weil Kondensstreifen und die sich daraus bildenden Zirruswolken vermutlich eine größere wärmende Wirkung auf die Erdatmosphäre haben, als alle über mehr als 100 Jahre in der Atmosphäre gesammelten Kohlendioxid-Emissionen des Luftverkehrs zusammen.“ Kondensstreifen bestehen aus vielen kleinen Eispartikeln, die sich durch Kondensation von Wasserdampf an den Rußpartikeln der Flugzeugabgase bilden. Die Kondensstreifen können in Höhen von etwa 8 bis 12 Kilometern bei feucht-kalten Bedingungen mehrere Stunden bestehen und hohe Wolken sogenannte Kondensstreifen-Zirren bilden. Diese Zirruswolken können je nach Sonnenstand und Untergrund lokal eine wärmende oder kühlende Wirkung entfalten. Die Kenntnis darüber ist für die Beurteilung der Klimawirkung der Luftfahrt essentiell. Bisherige Forschungsarbeiten legen nahe, dass global die wärmende Wirkung überwiegt.

Für die anstehenden DLRINASA-Flüge, mit den geplanten Messungen der Eiskristalle In Kondensstreifen, sind die meteorologischen Bedingungen im Winter in Deutschland für die Bildung von Kondensstreifen günstig. Durch den Einsatz des DLR A320 ATRA als „Ernissionsquelle “ und der NASA DC-8 als Messplattform, können die Forscher ihre Flugtests in Höhen und mit üblichen Reisefluggeschwindigkeiten von Passagierjets durchführen, wo sich Kondensstreifen typischerweise bilden. Geplant ist bis zum 2. Februar bei mehreren Testflügen rund 80 Flugstunden für Messungen zu absolvieren. Bereits seit 19 Jahren arbeiten DLR und NASA im Bereich der Atmosphärenforschung zusammen. In der Luftfahrtforschung engagieren sich beide Partner besonders bei gemeinsamen Forschungsprojekten in den Bereichen Luftverkehrsmanagement sowie lärm- und emissionsarmes Fliegen.

(Bildtext, Bild 1:) Groß war das Medieninteresse bei der Vorstellung der Forschungsflüge und dem Start der beiden Maschinen.

(Bildtext, Bild 2:) Voller Messgeräte zur Erfassung und Auswertung der Daten ist der Innenraum der DC-8 der NASA.

(Bildtext, Bild 3:) Die A320 ATRA des DLR (links) und die DC-8 der NASA beim Start auf der Air Base Ramstein (Fotos: St. Layes).

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