Weniger Rußemissionen durch Biotreibstoffe in der Luftfahrt

DLR/NASA-Flugexperiment bestätigt

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Abgasmessungen im Formationsflug / © DLR

  • Biotreibstoff reduziert Rußpartikelemissionen im Reiseflug
  • Weniger Rußpartikel reduzieren Klimawirkung von Kondensstreifen
  • Ergebnisse gemeinsamer DLR/NASA-Forschungsflüge, die im Mai 2014 in Kalifornien stattfanden, im Fachjournal NATURE veröffentlicht

Eine Beimischung von 50 Prozent Biotreibstoff reduziert im Reiseflug die Rußpartikelemissionen eines Flugzeugtriebwerks um 50 bis 70 Prozent 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.

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Roll-out / © DLR

Klimafaktor Kondensstreifen-Zirren

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", so Schlager weiter.

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-Forschungsflugzeugs 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.

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Messungen im Abgas eines Triebwerks / © DLR

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.
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Gruppenbild mit Forschungsflugzeugen / © 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 zukünftig 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 DC-8 beteiligen. Hier wollen die Forscher genauer untersuchen, wie sich die Zusammensetzung verschiedener alternartiver Treibstoffe auf die Emissionen und klimarelevanten optischen Eigenschaften von Kondensstreifen auswirken.

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