Streifenfrei fliegen

Attraktive Ruß-Klumpen

Wenn Kerosin in einem Düsentriebwerk verbrennt, entstehen pro Kilogramm Treibstoff exakt 1,23 Kilogramm Wasserdampf und 3,15 Kilogramm CO₂ – und Myriaden winziger Rußpartikel. Diese verklumpen sofort nach dem Austreten aus dem Triebwerk und bilden Kondensationskeime für kleine, unterkühlte Wassertropfen, die daran sofort zu Eiskristallen gefrieren. Bei entsprechend hoher Luftfeuchtigkeit entstehen dann Kondensstreifen, die hinter dem Flugzeug von den dort vorhandenen Luftwirbeln in die Breite gezogen werden und dadurch schließlich Zirruswolken bilden können.

Künftig dürfte deren Einfluss wegen des weiterhin wachsenden Luftverkehrs noch erheblich zunehmen. 2019 schätzten Forscher des DLR in einer Studie, dass die Auswirkungen von Kondensstreifen auf das Erdklima sich bis 2050 gegenüber 2006 verdreifachen werden, wobei die flugverkehrsreichsten Regionen der Welt – Nordamerika und Europa – besonders betroffen sein werden.

Zwei Lösungsansätze

Auch wenn diese Einschätzung nichts Gutes verheißt, machen neue Forschungsergebnisse doch Hoffnung. Sie belegen: Es gibt zwei Ansatzpunkte, um den klimaschädlichen Effekt der Kondensstreifen – und damit des Luftverkehrs – deutlich zu verringern. Und dabei kommt dem DLR große Bedeutung zu, denn die Forschungseinrichtung hat das Problem der Kondensstreifen weit nach oben auf seine Agenda gerückt – und arbeitet seit Jahren federführend an möglichen Lösungen.

Eine Lösung könnte darin bestehen, den Anteil der Rußpartikel im Flugzeugkraftstoff zu reduzieren. Die Überlegung dabei ist, dass weniger Ruß zu weniger Eisbildung im Abgasstrahl und damit zu kleineren Kondensstreifen führen sollte. Und genau das ist der Fall, wie Experimente in der Luft ergeben haben. Ein anderer Ansatz ist, die Flugrouten von Verkehrsmaschinen so zu optimieren, dass die Jets möglichst unter Umgebungsbedingungen fliegen, die Kondensstreifen gar nicht erst entstehen lassen. Tatsächlich konnte ein Forscherteam am DLR gemeinsam mit Kollegen des Maastricht Upper Area Control Centre (MUAC) – eines internationalen Dienstleisters für die Flugsicherung – nachweisen, dass sich langlebige Kondensstreifen durch Veränderung der Flughöhe vermeiden lassen. Dabei reichen schon vergleichsweise kleine Anpassungen der Flughöhe aus. Hilfreich für die Erforschung dieses Effekts war ausgerechnet die Corona-Pandemie. Sie führte dazu, dass der Luftverkehr weltweit drastisch eingeschränkt wurde. Das bot ideale Bedingungen für Messkampagnen im Luftraum über Nordwestdeutschland und den Beneluxstaaten.

Basis für die Arbeit der Forscher waren die Wetterprognosen für die folgenden Tage. An jedem zweiten Tag, an dem die Wetteraussichten das Entstehen von langlebigen Kondensstreifen erwarten ließen, wurden die Flüge um je 2.000 Fuß – das sind rund 660 Meter – nach unten oder oben umgeleitet. An den Tagen dazwischen flogen die Maschinen ohne Eingriffe in die Flughöhe. Satelliten machten indessen kontinuierlich Bilder vom Luftverkehr.

Die Flughöhe ist entscheidend

Die spannende Frage war, ob sich durch die Veränderung der Flughöhe die Bildung von langlebigen Kondensstreifen reduzieren ließ. Die Resultate der Messungen bestätigten das. Das lieferte den Forschern den Beweis dafür, dass sich die klimaschädigende Wirkung des Luftverkehrs durch die Wahl von Flugrouten und Flughöhen prinzipiell verringern lässt. Wenn bestimmte Umgebungsbedingungen das Entstehen von Kondensstreifen besonders begünstigen, liegt es daher nahe, die Flugrouten so zu variieren, dass sie durch Bereiche führen, in denen das nicht der Fall ist. Nötig ist also die Möglichkeit, den Flugzeugen sogenannte klimaoptimierte Flugtrajektorien anzubieten.

Doch dabei gibt es noch etliche offene Fragen. So kann unter Umständen die Änderung der Flugrouten – zum Beispiel durch einen Steigflug – zu einer höheren CO₂-Emission führen. Um insgesamt einen gewünschten Effekt zu erzielen, muss deren Klimaschädlichkeit kleiner sein als der Vorteil durch die geringere Bildung von Kondensstreifen. Zudem muss sichergestellt sein, dass die Variation von Flughöhen und -routen weder die Sicherheit beeinträchtigt noch die Kapazität des Luftraums beschränkt. Letzteres ist möglich, wenn es einen relativ schmalen Bereich mit optimalen Bedingungen hinsichtlich der Bildung von Kondensstreifen gibt. Würde nur er für den Luftverkehr genutzt, wäre womöglich nicht genug Platz für alle Flugzeuge.

Ebenso notwendig ist es, ein System zu schaffen, das die Klimabeiträge der Flüge schnell und zuverlässig berechnet und für die Flugplanung zur Verfügung stellt. Geklärt werden sollen alle diese Fragen unter anderem in dem Forschungsprojekt D-KULT. Die Abkürzung steht für „Demonstrator Klima- und Umweltfreundlicher LuftTransport“. In dem Projekt, das 2025 abgeschlossen wird, arbeiten unter anderem Teams das DLR, des Deutschen Wetterdienstes, der Deutschen Flugsicherung, von Fluggesellschaften und IT-Dienstleistern zusammen.

Dass es grundsätzlich möglich und praktikabel ist, Flüge zu absolvieren, die hinsichtlich Flughöhe und Flugroute so optimiert sind, dass Kondensstreifen weitgehend vermieden werden, hat die Fluggesellschaft Etihad Airways aus den Vereinigten Arabischen Emiraten am 23. Oktober 2023 gezeigt. Flug EY20 der Airline führte von London nach Abu Dhabi. In Kooperation mit dem britischen Luft- und Raumfahrtunternehmen Satavia identifizierten Etihad-Mitarbeiter Regionen in der Atmosphäre, in denen mit der Bildung von Kondensstreifen zu rechnen war – und planten die Flugroute entsprechend um. Durch diese Änderung der Flugstrecke kam es zu einem Mehrverbrauch von 100 Kilogramm Kerosin, was nach Angaben der Airline 0,48 Tonnen CO₂ entspricht. Die Berechnung des positiven Klimaeffekts hingegen ergab eine Einsparung von 64 Tonnen CO₂.

Flugbenzin unter der Lupe

Nicht weniger vielversprechend als eine geschickte Wahl der Flugrouten ist die Möglichkeit, durch Verminderung der Rußpartikel im Kerosin die Größe von Kondensstreifen zu reduzieren. Kerosin ist der herkömmliche Treibstoff von Verkehrsflugzeugen. Er wird bisher weitgehend aus Rohöl gewonnen. Bei der Raffination werden im gleichen Produktionsdurchlauf auch Benzin und Diesel hergestellt. Will man die besonders klimawirksamen Kondensstreifen verringern, lohnt es sich also, diesen Kraftstoff genauer zu untersuchen und zu schauen, wodurch die Rußpartikel entstehen.

Wissenschaftlich ist das längst geklärt: Neben verschiedenen Kohlenwasserstoffen wie Paraffinen oder Cyclo-Paraffinen enthält Kerosin ringförmige Kohlenwasserstoffe. Sie werden als Aromaten bezeichnet. „Und genau diese verursachen bei ihrer Verbrennung mehr Rußpartikel als kurzkettige Kohlenwasserstoffe“, erläutert Patrick Le Clercq vom DLR-Institut für Verbrennungstechnik in Stuttgart. Aromaten sind also der Schlüssel, um die Bildung von Rußpartikeln im Abgas von Flugzeugen zu vermindern.

Kerosin aus erneuerbaren Quellen

Allerdings: Ist es überhaupt denkbar, Kerosin ohne ringförmige Kohlenwasserstoffe zu produzieren? Die Antwort lautet: ja. Es gibt bereits entsprechende Kraftstoffe. Sie sind in Fachkreisen als Sustainable Aviation Fuels (SAF) bekannt. Dieses nachhaltige Kerosin wird ohne Erdöl aus regenerativen Quellen gewonnen und hat einen geringeren CO₂-Fußabdruck als das aus Erdöl hergestellte Kerosin. Inzwischen gibt es mehrere Arten von SAF. Manche werden aus Abfällen gewonnen, andere aus Pflanzen. Aktuelle Forschungsprojekte befassen sich mit der Herstellung von sogenannten E-Fuels, die mit regenerativer Energie zum Beispiel aus Windkraftanlagen und nachhaltig erzeugtem – „grünem“ – Wasserstoff hergestellt werden.

„Alle diese nachhaltigen Kraftstoffe haben gemeinsam, dass sie sich ohne zyklische Kohlenwasserstoffe, also ohne Aromaten, produzieren lassen“, stellt Patrick Le Clercq fest. „Und weniger Aromaten im Kraftstoff bedeutet weniger Ruß in den Emissionen – und damit wiederum weniger Eiskristalle in den Kondensstreifen.“ So verringern nachhaltige Kraftstoffe die beiden größten klimaerwärmenden Effekte der Luftfahrt, betont der DLR-Forscher: die Bildung von Kondensstreifen und den Ausstoß von CO₂. Bei all dem handelt es sich nicht nur um Theorien und Modellrechnungen – sondern um die Ergebnisse handfester Messungen an Flugzeugen in der Luft, die ein Wissenschaftler-Team des DLR kürzlich veröffentlicht hat.

Treibstoff-Mixturen im Vergleich

Bereits 2018 hat ein Team des DLR gemeinsam mit Wissenschaftlern der US-Weltraumbehörde NASA Flugversuche dazu durchgeführt. Ausgangspunkt war die Ramstein Air Base in Rheinland-Pfalz. Dabei flog das DLR-Forschungsflugzeug ATRA, ein umgebauter Airbus A320, mit verschiedenen Kraftstoffmischungen im Luftraum über Deutschland. Betankt wurde der Airbus zum einen mit dem Kraftstoff Jet-A-1. Das ist die Bezeichnung des herkömmlichen Kerosins, das üblicherweise in Verkehrsflugzeugen zum Einsatz kommt. Alternativ flog die Maschine mit anderen Treibstoffen, beispielsweise mit Mischungen von je zur Hälfte Kerosin und SAF.

Mit zwei Minuten Verzögerung folgte dem DLR-Airbus jeweils ein Forschungsflugzeug der NASA, eine Douglas DC-8. Um Daten über Emissionen und Kondensstreifen zu erfassen, hatten die Teams aus Deutschland und den USA zahlreiche Messgeräte eingebaut. Das Resultat: Die Verwendung einer Halb-halb-Mixtur aus Kerosin und SAF hatte eine Halbierung der Zahl von Eiskristallen in den Kondensstreifen zur Folge. Das führte laut den DLR-Forschern zu einer um 20 bis 30 Prozent geringeren Klimawirkung durch Kondensstreifen.

Nach diesen aussichtsreichen Resultaten beschlossen die Forscher, die Versuche fortzuführen und ein Testflugzeug mit 100 Prozent SAF zu betanken. Die Ergebnisse dieser Flüge mit einem Airbus A350 mit Triebwerken vom Typ Rolls Royce Trent XWB wurden jetzt veröffentlicht. Die verwendete Maschine ist ein normales Verkehrsflugzeug, das vor allem auf Langstrecken genutzt wird. Es ist das jüngste und fortschrittlichste Modell des europäischen Flugzeugbauers. Betankt wurde es einmal mit reinem SAF und ein anderes Mal als Referenz mit konventionellem Kerosin. Bei den Testflügen folgte ein Forschungsflugzeug des DLR – bestückt mit zahlreichen Instrumenten zur Messung von Abgasen, flüchtigen und nichtflüchtigen Aerosolpartikeln sowie Kondensstreifen-Eispartikeln.

Wie bei den Experimenten 2018 untersuchte das Forschungsflugzeug die Emissionen der Triebwerke sowie die Kondensstreifen in neun bis zwölf Kilometer Höhe. Die Messungen ergaben: Im Vergleich zum normalen Kerosin produzierte der nachhaltige Treibstoff weniger Rußpartikel und reduzierte die Zahl von Eiskristallen in Kondensstreifen um mehr als die Hälfte. Daraus ermittelten die DLR-Forscher anhand von Modellsimulationen eine um ein Viertel verringerte Klimawirkung von Kondensstreifen.

Dass dieser Effekt beim Betanken mit purem SAF nicht deutlicher ausgefallen ist, hat zwei Gründe, wie DLR-Wissenschaftler Stefan Kaufmann erklärt: „Bei den Versuchen 2018 war das Jet A-1 deutlich schmutziger als bei den Versuchen mit der A350.“ Es hatte einen höheren Aromaten-Gehalt. Kerosin weise in dieser Hinsicht eine breite Spanne auf. „Dazu kommt, dass die Triebwerke bei den Versuchen 2018 mehr Ruß ausgestoßen haben, als das nun bei der A350 der Fall war“, sagt Kaufmann. Das in den jüngsten Experimenten verwendete Flugzeug ist schlicht moderner und sauberer als die in den früheren Versuchen genutzte Maschine.

Eindeutige Ergebnisse

Die Ergebnisse der Flugversuche des DLR sind eindeutig. Jetzt ist es nur noch nötig, dass Sustainable Aviation Fuels in großem Maßstab im kommerziellen Luftverkehr zum Einsatz kommen. Bisher dürfen SAF hier nur gemischt mit Kerosin verwendet werden. Bis zu 50 Prozent darf die Beimischung betragen. So viel nachhaltiges Kerosin ist aber noch gar nicht am Markt erhältlich. Deshalb liegt der tatsächliche Anteil der Beimischung bislang bei weniger als einem Prozent. Das soll sich künftig ändern. Für alle Flüge, die innerhalb Europas starten, ist ab 2025 eine Beimischung von zunächst zwei Prozent SAF gesetzlich vorgeschrieben. Später soll dieser Anteil steigen: bis 2030 auf fünf Prozent und bis 2050 dann sogar auf 63 Prozent.

Aber auch wenn Flüge mit einem hohen Anteil an nachhaltig produziertem Kraftstoff fliegen, wird es weiterhin Kondensstreifen geben. „Völlig vermeiden lassen sie sich nicht“, stellt Stefan Kaufmann fest. Selbst wenn die Triebwerke keine Rußpartikel mehr produzieren, sind auch in der Atmosphäre stets kleine Teilchen vorhanden, an denen der Wasserdampf aus dem Abgas kondensiert. Dennoch gilt: Die Bildung von Kondensstreifen lässt sich durch den Einsatz von Bio-Kerosin merklich dämpfen. Im Zusammenspiel mit dem ohnehin geringeren CO₂-Fußabdruck der SAF und einer Optimierung der Flugrouten fällt der klimaschädigende Effekt der Luftfahrt damit schon deutlich geringer aus.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…