Biokerosin verringert den Klimaeffekt von Kondensstreifen

Nachhaltiges Flugbenzin reduziert die Anzahl von Eiskristallen in Kondensstreifen und die Erderwärmung durch den Flugverkehr

Durch Kondensstreifen trägt die Luftfahrt mehr zur Klimaerwärmung bei als durch ihren CO2-Ausstoß. Nun hat ein internationales Team, an dem neben dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Nasa auch das Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz beteiligt war, herausgefunden, dass sich die Klimawirkung von Kondensstreifen reduzieren lässt. Mit der Verwendung einer 50-50-Mischung aus Kerosin und nachhaltigem Kraftstoff halbierten die Forschenden die Anzahl von Eiskristallen in Kondensstreifen unter realen Flugbedingungen. Dies führt zu einer 20 bis 30 Prozent geringeren Klimawirkung der Kondensstreifen. Die Ergebnisse eröffnen eine Möglichkeit, den Beitrag des Luftverkehrs am Klimawandel bereits kurzfristig spürbar zu verringern.

Bei gemeinsamen Flugversuchen des DLR und der Nasa 2018  wurde nachgewiesen, dass nachhaltige Kraftstoffe weniger Rußpartikel in den Abgasen von Flugzeugen und weniger Eiskristalle in Kondensstreifen erzeugen.

Bei den gemeinsamen Flugversuchen des DLR und der Nasa 2018 wies die Forschungskooperation nach, dass bei der Verbrennung von nachhaltigen Kraftstoffen weniger Rußpartikel in den Abgasen entstehen. Daher bilden sich in den Kondensstreifen weniger Eiskristalle, die dafür im Mittel etwas größer sind. „Dieser Nachweis ist ein Durchbruch für die Möglichkeiten einer klimafreundlicheren Luftfahrt“, erklärt Christiane Voigt vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre in Oberpfaffenhofen. "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.“

Verfolgungsflug im Abgasstrahl

Die Flugversuche starteten 2018 von der Ramstein Air Base in Rheinland-Pfalz. Mehrfach flog das DLR-Forschungsflugzeug Atra, ein Airbus A320, mit verschiedenen Kraftstoffmischungen über Deutschland. Unter anderem verwendete das Flugzeug Jet A-1 Kerosin als Referenz sowie 70-30- und 50-50-Mischungen von Kerosin und dem nachhaltigen Biokraftstoff 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. Die gemeinsame Forschungskampagne fand unter dem Namen ND-Max/Eclif 2 (Nasa/DLR-Multidisciplinary Airborne eXperiments/Emission and CLimate Impact of alternative Fuel) gemeinsam mit den weiteren Partnern FAA, NRC, Aerodyne, Missouri S&T, Boeing, dem Max-Planck-Institut für Chemie sowie den Universitäten Mainz, Innsbruck und Oslo statt.

Die Eiskristalle der Kondensstreifen können bei feucht-kalten Bedingungen in Höhen von etwa acht bis zwölf 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.

Das Mainzer Forscherteam brachte sein weltweit einmaliges Massenspektrometer für Aerosolteilchen Erica (ERc Instument for the Chemical composition of Aerosols) zum Einsatz. „Mit Hilfe von Erica konnten wir die chemische Zusammensetzung einzelner Partikel untersuchen, und das sowohl in den Abgasen selbst als auch im Inneren der Eiskristalle, die die Kondensstreifen bilden“, erklärt der Direktor am Max-Planck-Institut für Chemie Stephan Borrmann, der auch Professor am Institut für Physik der Atmosphäre der Johannes Gutenberg-Universität Mainz ist. Sein Team wertet die Daten derzeit aus und plant, sie in Kürze zu publizieren.

„Wir betrachten in unserer Arbeit mehr als nur einzelne Technologien, sondern immer auch das Flugzeug und den Luftverkehr als Gesamtsystem. Damit verfügt das DLR über die Systemkompetenz in der Luftfahrt“, betont Anke Kaysser-Pyzalla, Vorstandsvorsitzende des DLR. „Wir sehen uns in der Funktion eines Architekten für die Luftfahrtforschung. Von den Grundlagen bis hin zur Anwendung in enger Abstimmung und in Kooperation mit internationalen Forschungspartnern, der Luftverkehrsindustrie und -wirtschaft. Damit leisten wir unseren Beitrag zum Green Deal in der Luftfahrt.“

Nachhaltige Flugkraftstoffe

Nachhaltige Treibstoffe 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 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. Damit verringern nachhaltige Kraftstoffe die beiden größten klimawärmenden Effekte der Luftfahrt, Kondensstreifen und den CO2-Fußabdruck.“

Ruß, Eiskristalle, 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 acht bis zwölf 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 einige 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 fossiles Flugbenzin bringt langfristig einen wichtigen Gewinn, denn CO2 verbleibt mehr als 100 Jahre in der Atmosphäre und treibt die Erderwärmung an.

„Mit den sogenannten Sustainable Aviation Fuels SAF verfügen wir über eine Brückentechnologie auf dem Weg zu einer emissionsfreien Luftfahrt“, erklärt Markus Fischer, Bereichsvorstand Luftfahrt des DLR. „In die gemeinsamen Flüge mit der Nasa und deren Auswertung haben wir die wissenschaftlich-technischen Kompetenzen des DLR auf dem Gebiet der alternativen Kraftstoffe, Verbrennungstechnologie und Klimawirkung des Luftverkehrs präsent eingebracht. Dies geschieht ebenso in enger Partnerschaft mit der Industrie.“

Nächster Schritt, fliegen mit 100 Prozent nachhaltigem Kraftstoff

Nach den vielversprechenden Ergebnissen für 50-50-Mischungen aus Kerosin und nachhaltigem Kraftstoff schauen die Forschenden nun gespannt darauf, wie sich Flüge ausschließlich mit nachhaltigen Kraftstoffen auf die Emissionen und Kondensstreifen auswirken. Dazu fanden kürzlich gemeinsame Flugversuche von Airbus, Rolls-Royce, DLR und weiteren Partnern statt. Im Rahmen des Projekts Eclif 3 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.

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