Flugversuche von DLR und NASA von der Air Base Ramstein

Deutlich geringere Klimawirkung von Kondensstreifen durch nachhaltige Kraftstoffe

Köln/Ramstein. Kondensstreifen verursachen noch vor Kohlendioxid (CO2) den größten Anteil zur Klimaerwärmung durch die Luftfahrt. Nun haben Forschende des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) gemeinsamen mit der US-amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA herausgefunden, dass sich die Klimawirkung von Kondensstreifen senken lässt. Mit der Verwendung einer 50 zu 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 zeigen eine Möglichkeit, die Klimawirkung des Luftverkehrs bereits kurzfristig spürbar zu verringern.

Die Forschungsflüge starteten im Januar 2018 von der Ramstein Air Base aus (wir berichteten im AMTSBLATT darüber). 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 zu 30 und 50 zu 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.

„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.“

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.

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 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.

Nach den vielversprechenden Ergebnissen für 50 zu 50 Mischungen aus Kerosin und nachhaltigem Kraftstoff schauen die Forschenden nun gespannt darauf, wie sich Flüge mit reinem SAF (Sustainable Aviation Fuel) auf die Emissionen und Kondensstreifen auswirken. Dazu fanden kürzlich gemeinsame Flugversuche von Airbus, Rolls-Royce, DLR und weiteren Partnern statt. Dabei 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.