Kondensstreifenbildung: Ruß allein nicht entscheidend

Erste Ergebnisse der NEOFUELS/VOLCAN-Messflüge verändern bisheriges Verständnis von der Bildung von Kondensstreifen

Neueste Erkenntnisse der Atmosphärenforschung zeigen, dass weniger Ruß nicht automatisch zu weniger Eiskristallen in Kondensstreifen führt. Stattdessen spielen bei niedrigen Ruß-Emissionen kleine flüssige Partikel eine entscheidende Rolle bei der Bildung von Kondensstreifen. Dies wurde bei Messflügen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Zusammenarbeit mit Airbus und CFM International im Frühjahr 2023 nachgewiesen. Die Ergebnisse des Forschungsteams wurden jetzt im Fachjournal Nature veröffentlicht.

„Dank der engen Zusammenarbeit von Industrie und Forschung ist es uns gelungen, komplexe Messflüge durchzuführen und einen einzigartigen Datensatz zu gewinnen. Diese Daten und Erkenntnisse helfen, Triebwerke und Klimamodelle zu verbessern – für eine wettbewerbsfähige und klimaverträgliche Zukunft der Luftfahrt“, betont Dr. Markus Fischer, DLR-Bereichsvorstand Luftfahrt.

„Solche Testkampagnen sind entscheidend, um das Verständnis und die Modellierung von Kondensstreifen in Abhängigkeit von den verschiedenen Einflussfaktoren zu verbessern und Grundlagen für unsere künftigen technologischen und operativen Maßnahmen zur Emissionsminderung zu schaffen. Dies ist ein weiteres Beispiel für die hervorragende Zusammenarbeit zwischen Forschungszentren und der Industrie, die entscheidend ist, um bei diesem komplexen Thema rasch Fortschritte zu erzielen“, so Dr. Mark Bentall, Leiter des R&T-Programms bei Airbus.

Kondensstreifen-Zirruswolken tragen maßgeblich zur Klimawirkung der Luftfahrt bei. Diese Eiskristallwolken entstehen in Reiseflughöhe, wenn heiße Abgase auf sehr kalte, feuchte Luft treffen. Partikel aus den Triebwerksabgasen wirken dabei als Keime für Eiskristalle. Bisher ging man davon aus, dass Rußpartikel die Anzahl der Eiskristalle in Kondensstreifen steuern. Die neuen Erkenntnisse markieren einen Paradigmenwechsel bei der Bildung von Kondensstreifen.

Moderne Magerverbrennungstriebwerke reduzieren die Ruß-Emissionen deutlich, wie Bodentests gezeigt haben. Dies ließe vermuten, dass sich weniger Eiskristalle bilden und sich damit ihr Klimaeffekt verringert. Kondensstreifen von Magerverbrennungstriebwerken waren jedoch bisher noch nie im Flug vermessen worden. Um diese Wissenslücke zu schließen, arbeiteten Forscher des DLR und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) mit Airbus, CFM International und Modellierungsteams der University at Albany sowie des französischen Forschungsinstituts ONERA – Office national d’Études et de Recherches Aérospatiales zusammen.

Im Rahmen der NEOFUELS/VOLCAN-Messkampagne führten sie die ersten Messflüge zu Emissionen von Magerverbrennungstriebwerken und den daraus resultierenden Kondensstreifen durch: Während Verfolgungsflügen hinter einem Airbus A321neo mit CFM LEAP-1A-Magerverbrennungstriebwerken detektierte das DLR-Forschungsflugzeug Falcon 20E die Abgaspartikel. Die Studie untersuchte auch die bisher unbekannten Rollen von Schwefel und organischen Verbindungen im Kraftstoff und von Schmierölen für die Bildung von Kondensstreifen bei niedrigen Ruß-Emissionen.

Für die Studie wurden 15 Messflüge durchgeführt, mit Verfolgungsmanövern in Hochgeschwindigkeit in zehn Kilometern Höhe über dem Mittelmeer und Atlantik, in entsprechend gesperrtem Luftraum. Die Falcon 20E durchquerte mehrfach die Abgasfahne des Passagierflugzeugs. Zudem beprobte sie mehrere Kilometer hinter dem Flugzeug dessen voll entwickelten Kondensstreifen. Von CFM International modifizierte Triebwerkssteuerungen ermöglichten die Einstellung von definierten Betriebszuständen mit magerer oder fetter Verbrennung. So konnten die Forschenden Emissionen und Kondensstreifen-Eigenschaften bei unterschiedlichen Niveaus von Ruß-Emissionen vergleichen. Die Triebwerke wurden auch mit Testkraftstoffen betrieben, die unterschiedliche Mengen an Schwefel und Aromaten enthielten. Die DLR-Einrichtung Flugexperimente betreibt die Falcon 20E seit 30 Jahren – ihre jahrzehntelange Erfahrung war essenziell für den anspruchsvollen Einsatz in dieser Forschungsmission.