Der Luft zuliebe

Auch deshalb arbeiten Forschung und Industrie beständig daran, die Maschinen energieeffizienter und damit klimafreundlicher zu machen – etwa durch den Einsatz leichterer Materialien wie Kohlefasern oder durch Antriebe mit „offenen Rotoren“. Sie ähneln den klassischen Turbo-Prop-Triebwerken der Vergangenheit. Offene Rotoren ermöglichen größere Propellerdurchmesser und können den Energieverbrauch gegenüber heutigen Standardtriebwerken um bis zu 30 Prozent senken. „Doch dazu müssten Fluggeschwindigkeit und Flughöhe um etwa zehn Prozent verringert werden“, stellt Björn Nagel fest. „Durch einen reduzierten Verbrauch und eine geringere Flughöhe – was gleichbedeutend ist mit einer kürzeren Reisedistanz – könne die Klimawirkung um bis zu 55 Prozent verringert werden. „Airbus hat dieses Konzept bereits als potenziell nächste Flugzeugkonfiguration kommuniziert“, berichtet der DLR-Forscher. Der Nachteil offener Rotoren: Sie sind lauter. Der Bund für Umwelt- und Naturschutz (BUND) warnt: Schon heute leiden in Deutschland 20 Prozent der Menschen unter Fluglärm.

Doch während Schallemissionen eher ein lokales Problem entlang der Einflugschneisen sind, ist der Klimaschutz ein dringendes globales Anliegen: Je nach Studie hat der Flugverkehr einen Anteil von etwa drei bis fünf Prozent am weltweiten CO2-Ausstoß. Etwa die Hälfte des gesamten bisherigen CO2-Ausstoßes durch die Luftfahrt fand in den letzten 20 Jahren statt. Die Emissionen entstehen durch das Verbrennen von Flugbenzin (Kerosin) in den Turbinen. Langfristig soll die Luftfahrt klimaneutral werden: ein Ziel, dem sich auch das DLR mit seinem Forschungsprogramm verschrieben hat – der Atmosphäre zuliebe, denn CO2 verbleibt dort jahrhundertelang und erwärmt das Klima.

Den dahintersteckenden Effekt nennen die Wissenschaftler Strahlungsantrieb, er wird in Milliwatt pro Quadratmeter (mW/m²) gemessen. Laut DLR verursachte das im weltweiten Luftverkehr ausgestoßene CO2 2018 einen Strahlungsantrieb von rund 34 mW/m². Der gesamte Strahlungsantrieb durch Flugreisen liegt sogar noch wesentlich höher, denn es tragen dazu noch andere Phänomene bei. Er summierte sich im selben Zeitraum auf über 100 mW/m². Das ist mehr als das Zweieinhalbfache der rein CO2-bedingten Klimaschädigung.

„Zwar ist die genaue Berechnung der nicht auf CO2 beruhenden Effekte wissenschaftlich umstritten, aber man darf annehmen, dass diese Auswirkungen der Luftfahrt insgesamt noch schädlicher sind als die Effekte durch CO2“, sagt Björn Nagel. Lange unterschätzt wurde der Wasserdampf, der entsteht, wenn Flugzeugturbinen durch eine unsaubere Verbrennung Rußpartikel freisetzen. Diese sogenannten Aerosole bringen Wasserdampf in der Atmosphäre zum Kondensieren. Die Folge sind Kondensstreifen, die einerseits Sonnenstrahlung zurück ins Weltall reflektieren und damit kühlend auf das Klima wirken, andererseits aber auch Infrarotstrahlung in der Atmosphäre einfangen.

Klimaschädliche Zirruswolken

Dieser wärmende Effekt ist deutlich stärker als der kühlende. In Höhen ab 6.000 Metern, wo es minus 40 Grad Celsius und kälter sein kann, entstehen durch Kondensation Eiskristallformationen: sogenannte Zirren. Die dünnen, hohen Wolken schädigen das Klima besonders stark, denn sie bleiben lange am Himmel. Der Strahlungsantrieb durch Kondensstreifen und Zirren betrug 2018 rund 57 mW/m² und war damit mehr als anderthalbmal so groß wie der Klimaeffekt durch luftfahrtbedingtes CO2.

Ebenfalls klimaschädlich sind die beim Fliegen freigesetzten Stickoxide. Sie entstehen, weil bei den hohen Verbrennungstemperaturen in den Triebwerken Stickstoff frei wird, der mit dem Sauerstoff in der Luft chemisch reagiert. Die dabei entstehenden Stickoxide bauen unter Sonneneinstrahlung Ozon auf, das in Tausenden Metern Höhe als starkes Treibhausgas wirkt. Der daraus resultierende Strahlungsantrieb belief sich 2018 auf 49 mW/m², lag also ebenfalls über dem durch CO2. Hinzu kommen kleinere klimaschädliche Nebeneffekte, die indirekt von Stickoxiden herrühren. Zwar führen Stickoxide auch zum Abbau des Treibhausgases Methan, was ihren Einfluss aufs Klima wiederum um 21 mW/m² reduziert. Weitere klimagünstige Effekte machen etwa 14 mW/m² aus. Dennoch blieb damit 2018 unterm Strich ein deutlicher luftfahrtbedingter Strahlungsantrieb allein durch die Stickoxide übrig.

Kaum Aufwand für den Umstieg

All das hat globale Folgen – „und zwar ganz gleich, wo die Emissionen verursacht werden“, betont Björn Nagel. Anders formuliert: „Selbst wenn in Europa ab morgen nur noch emissionsfreie Flugzeuge fliegen, würde das keineswegs bedeuten, dass die Klimafolgen durch luftfahrtbedingte Schadstoffemissionen hier nicht mehr spürbar wären.“ Der DLR-Direktor sieht deshalb die internationale Luftfahrt in der Pflicht – und die Forschung auf einem guten Weg: „Es gibt verschiedene Ansätze, den Flugverkehr zu dekarbonisieren, damit wären mindestens mal die CO2-Effekte ausgeschaltet.“ Das englische Zauberwort lautet „Sustainable Aviation Fuels“ (SAFs): nachhaltige Luftfahrttreibstoffe. „In den USA setzt man vor allem auf Biomass-to-Liquid, kurz: BTL“, berichtet Nagel und erläutert das Konzept: „Stärke, die vor allem aus Mais, aber auch aus landwirtschaftlichen Abfallprodukten stammt, wird zu Flüssigtreibstoff verarbeitet. Zwar entsteht dabei CO2, aber dieses war zuvor bereits in den Pflanzen gespeichert.“

Das BTL-Verfahren, betont der Luft- und Raumfahrt-Ingenieur, sei somit ein nachhaltiger Kreislauf aus Speicherung und Freisetzung. Die CO2-Bilanz: null. „Wir beim DLR denken allerdings, dass Treibstoffproduktion nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelerzeugung stehen sollte“, sagt Nagel. Deshalb setzen er und sein Team auf ein anderes Sustainable Aviation Fuel namens Power-to-Liquid (PTL): ein synthetischer Kraftstoff, hergestellt aus einer Kombination von Wasserstoff und CO2. Hierzu wird zum einen Wasser per Elektrolyse in seine chemischen Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Zum andern filtert man CO2 per Ansaugverfahren – dem sogenannten Direct Air Capturing – aus der Umgebungsluft. „PTL ist ebenfalls CO2-neutral“, skizziert Nagel: „Das bei seiner Verbrennung freigesetzte Kohlendioxid wurde ja zuvor der Atmosphäre entzogen.“

Problematisch ist nur der hohe Energieaufwand bei der Herstellung des Treibstoffs: „Für die Elektrolyse, vor allem aber für das Direct Air Capturing sind große Mengen an grünem Strom erforderlich, damit das Ganze nachhaltig ist.“ Diesen Strom, hofft Nagel, könne die Welt künftig in sonnenreichen Regionen der Erde produzieren – per Photovoltaik.

Weniger Schmutz aus der Verbrennung

Ob Biomass-to-Liquid (BTL) oder Power-to-Liquid (PTL): Durch Sustainable Aviation Fuels ließen sich auch die nicht durch CO2 bedingten Klimaeffekte der Luftfahrt drastisch senken. Denn synthetische Kraftstoffe verbrennen viel sauberer als Kerosin und verursachen somit weniger Stickoxide und Rußpartikel. Ein weiterer Vorteil: Der globale Luftverkehr könnte schon morgen auf Sustainable Aviation Fuels umsteigen. „Notwendig wären nur kleinere Anpassungen am Fluggerät, etwa bei den Dichtungen im Bereich der Tanks“, erklärt Nagel: „Das ließe sich problemlos im Rahmen einer größeren Wartung erledigen. Während des Ausbaus der Produktionskapazitäten für SAF könnte man die CO2-neutralen Treibstoffe einfach dem herkömmlichen Kerosin mit steigendem Anteil beimischen – mit stetig steigendem Anteil.“ Damit taugen synthetische Kraftstoffe mindestens als Übergangslösung, so lange bis eine noch klimaschonendere Technologie zur Verfügung steht: wasserstoffbetankte Flugzeuge.

„Wasserstoff dient bereits seit den 1960er-Jahren als Treibstoff in der Raumfahrt“, berichtet Björn Nagel und betont: „Zu seiner Herstellung braucht man ein Drittel weniger Energie als für Power-to-Liquid.“ Der CO2-Ausstoß von Wasserstoffflugzeugen läge bei null, die anderen klimaschädlichen Effekte wären äußerst gering. Ein Forschungsprojekt des DLR zeigte: Hinter wasserstoffgetriebenen Flugzeugen formen sich keine Kondensstreifen. Allerdings wäre für diese Technik eine komplett neue Flugzeugflotte samt Infrastruktur für die Betankung an den Flughäfen nötig. „Wasserstofftanks zu fertigen, die dauerhaft dicht sind, ist herausfordernd“, sagt Björn Nagel. „Wasserstoff hat die kleinsten Atome und kann deshalb durch viele Materialien hindurch diffundieren.“ Hinzu kommt, dass Wasserstoff im gasförmigen Zustand ein gewaltiges Volumen hat: „Man müsste ihn daher bei minus 253 Grad Celsius verflüssigen und entsprechende Kryotanks bauen.“ Trotzdem glaubt der DLR-Forscher, dass in einigen Jahrzehnten wasserstoffbetriebene Linienflugzeuge starten werden. „In China ist die Umstellung auf diese Technik sogar Teil der Staatsdoktrin“, berichtet Nagel. „Und wenn die Chinesen sich das zutrauen, sollten wir das erst recht tun.“

Zuvor aber gelte es, von Kerosin auf Sustainable Aviation Fuels umzusteigen: „Die SAFs sind sozusagen ein Pflichtpfad auf dem Weg zum klimaneutralen Fliegen“, meint der Experte aus Hamburg. Und was ist mit elektrisch betriebenen Passagierflugzeugen? „E-Mobilität wäre auch in der Luftfahrt das Beste“, räumt Björn Nagel ein: „Der Wirkungsgrad bei der Umwandlung der eingesetzten Energie beträgt 90 Prozent – das ist effizienter als bei allen übrigen Motoren.“ Doch das Problem seien die Akkus und ihr Gewicht im Verhältnis zur Leistung: „Wenn man die Prognosen für die Entwicklung der Akkus in den nächsten 20 Jahre sieht, darf man mit etwa 500 Wattstunden pro Kilogramm Batteriezelle rechnen“, sagt der Forscher. „Zum Vergleich: Kerosin erzeugt 12.000 Wattstunden pro Kilogramm – also das 24-Fache.“ Entsprechend groß seien die Unterschiede bei der Reichweite: „Man kann ja ein Flugzeug nicht beliebig schwer machen, indem man einfach riesige Akkus einsetzt.“

Das Fluggewicht heutiger Passagierjets besteht etwa zu einem Drittel aus der Maschine mitsamt Betankung, zu einem Drittel aus Insassen sowie zu einem Drittel aus mitgeführter Last wie Gepäck. „Dieses Verhältnis muss man unabhängig von der Antriebsform erreichen, um wirtschaftlich zu fliegen“, sagt Nagel. „Flugzeuge von der Größe eines Airbus A-320 wird es mittelfristig nicht in einer Elektroversion geben.“ Allerdings: „Auf Kurzstrecken von 500 bis 600 Kilometern könnte ein Hybridantrieb sinnvoll sein“, meint der Flugzeugforscher. „Bei Airbus gibt es bereits entsprechende Überlegungen.“ //