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Luftfahrt und Umwelt – analysieren und optimieren



Von Thomas Bührke

 DLR-Forschungsflugzeug Falcon
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In den vergangenen Jahren wurde der Einfluss der zivilen Luftfahrt auf das Klima zunehmend diskutiert. Derzeit ist der Anteil am weltweiten Ausstoß von Kohlendioxid (CO2) und Stickoxiden noch verhältnismäßig gering. Der Luftverkehr gehört jedoch mit zu den am stärksten wachsenden Wirtschaftszweigen. Deshalb müssen seine Auswirkungen auf die Umwelt eingehend untersucht und Maßnahmen ergriffen werden, um sie möglichst gering zu halten. Beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) stellt man sich dieser Herausforderung in unterschiedlicher Weise. In Oberpfaffenhofen werden am Institut für Physik der Atmosphäre die Auswirkungen der verschiedenen Verkehrsemissionen auf die Zusammensetzung der Atmosphäre und das Klima untersucht. Auswertung von Satellitendaten, Messungen in der Atmosphäre mit dem Forschungsflugzeug Falcon und globale Modellsimulationen kommen hierbei zum Einsatz. Im Institut für Antriebstechnik mit Hauptsitz in Köln forschen Ingenieure an der Verbesserung der Triebwerke. Dabei stehen die Reduzierung von Abgasemissionen und Lärm im Vordergrund der Anstrengungen.

Schadstoffe in der Luftfahrt

Im jüngsten Bericht des Welt-Klimarates IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) über die Auswirkungen des Luftverkehrs auf die Atmosphäre kommen die Experten zu dem Ergebnis, dass der Luftverkehr mit etwa drei Prozent zum menschenbedingten Treibhauseffekt beiträgt. Diese Aussage stützt sich im Wesentlichen auf Forschungsergebnisse des DLR. Im Institut für Physik der Atmosphäre haben die Forscher in den vergangenen Jahren ein großes Knowhow erworben und gehören weltweit zur Spitzenklasse.

 Emissionen des Straßenverkehrs
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Seit etwa 1990 untersucht man in Europa den Einfluss des Luftverkehrs auf das Klima. Ein erster umfangreicher Schwerpunkt bildete das vom deutschen Forschungsministerium von 1992 bis 1997 geförderte Verbundprogramm „Schadstoffe in der Luftfahrt“. Hierbei wirkten Experten der Verkehrsforschung und Antriebstechnik ebenso mit wie Atmosphärenforscher.

Flugzeuge wirken auf unterschiedliche Weise auf die Atmosphäre ein. Zum einen stoßen die Triebwerke Verbrennungsgase aus, vor allem Kohlendioxid, das direkt als Treibhausgas wirkt. Die zweite wichtige Komponente bilden Stickoxide. Sie beeinflussen die Bildung von Ozon, das ebenfalls als Treibhausgas wirkt. Zum anderen wird auch Wasserdampf frei, der in kalter Luft die Bildung von Kondensstreifen verursacht. Zudem emittierte Rußteilchen verändern zusammen mit den Kondensstreifen die Bewölkung.

Zu Beginn der 1990er-Jahre hatte man die von den Triebwerken freigesetzten Mengen an Verbrennungsgasen an Testständen gemessen. Eine der ersten Aufgaben bestand deshalb darin, diese Werte vor Ort, sprich im Flug, zu messen. Das gelang den DLR-Forschern aus Oberpfaffenhofen mit Hilfe des Messflugzeuges Falcon, mit dem sie direkt Linienjets in deren Abgasstrahlen verfolgten. Dabei konnten sie sich in teilweise recht turbulenten Flügen einem Jumbo Jet bis auf 40 Meter nähern. Auf diese Weise gelang es, von allen bedeutenden Flugzeugen und Triebwerkstypen die Abgaswerte zu messen. Dies war nötig, denn die Stickoxidwerte beispielsweise unterschieden sich anfangs erheblich (mehr als 50 Prozent von den Vorhersagen), die Kohlendioxid-Werte stimmten mit den Messungen aber in den meisten Fällen bis auf zehn Prozent überein.

 Abgasstrahl eines Düsenflugzeuges
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Auch die Kohlendioxid-Emissionen sind heute für die unterschiedlichen Flugzeugtypen bekannt. So verbraucht beispielsweise ein voll besetzter Airbus A321 im Linienflug auf einer Langstrecke etwa vier Liter Kerosin pro 100 Kilometer und Fluggast und stößt 100 Gramm Kohlendioxid pro Personenkilometer aus. Der neue A380 soll vollbesetzt auf drei Liter pro 100 Kilometer und Fluggast kommen.

Einfluss auf das Klima

Diese Werte bilden zusammen mit den bekannten weltweiten Flugbewegungen ein Kataster, das als Grundlage für Klimamodelle dient. Derzeit trägt der zivile Luftverkehr mit 2,2 Prozent zu allen globalen Kohlendioxid- und mit 1,6 Prozent zu allen Stickoxid-Emissionen bei. Das ist etwa derselbe Kohlendioxid-Wert, den man für die Emissionen aller Schiffsmotoren erhält. Der gesamte Verkehrsbereich verursacht etwa elf Prozent der weltweiten Kohlendioxid-Emissionen. Diese Zahlen belegen, dass man in eine Bewertung der Klimawirkung alle Verkehrssysteme einbeziehen muss. Dies geschieht in dem EU-Projekt QUANTIFY, das seit 2005 unter der Leitung des Instituts für Physik der Atmosphäre läuft. Insgesamt 41 Gruppen aus 19 europäischen Ländern und den USA werden darin bis 2010 den Klimaeinfluss aller weltweiten Transportsysteme ermitteln und Zukunftsszenarien untersuchen.

Das Emissionskataster des Luftverkehrs ist mittlerweile sehr genau geworden, dessen Klimawirkung abzuschätzen, ist wesentlich schwieriger. Eine mögliche Größe hierfür ist der Strahlungsantrieb. Er ist ein Maß für die langfristig zu erwartende globale Temperaturänderung. Nach derzeitigen Modellen trägt der Flugverkehr heute mit etwa drei Prozent zum gesamten vom Menschen verursachten Strahlungsantrieb bei, wobei die Unsicherheiten einen Bereich von zwei bis acht Prozent zulassen. Zu dieser Unsicherheit trägt insbesondere die Wirkung der Kondensstreifen bei. Nach neuesten Erkenntnissen der DLR-Forscher, die auch in den jüngsten IPCC-Report eingeflossen sind, ist deren Wirkung weniger gravierend als bisher angenommen. Kondensstreifen sind offenbar dünner als bislang angenommen und erwärmen das Klima deshalb weniger.

 Verkehrsleistung von Passagierflugzeugen
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Wenngleich auch der heutige Anteil des Luftverkehrs an der gesamten Klimaerwärmung gering ist, so muss auch dieser Bereich im Fokus der Forschung bleiben. Dies vor allem auch deswegen, weil Fachleute eine zukünftige Zunahme des Passagierverkehrs um jährlich etwa fünf Prozent erwarten. Deshalb müssen die Unsicherheiten in der Bewertung der Klimawirkung verringert werden. Dafür ist das DLR auch in der Zukunft gut gerüstet: Ab 2009 werden die Forscher über das Forschungsflugzeug HALO verfügen, das die über 30 Jahre alte Falcon ablösen wird. Und in etwa einem Jahr wird ein modifizierter Airbus A320 als Versuchsträger die bisherige ATTAS-Maschine ablösen. Mit ihm lassen sich neue Triebwerkskonzepte oder auch Fragen der Lärmreduzierung und Wirbelschleppenbildung studieren.

Neue Triebwerke – leiser und sparsamer

Fast alle Linienjets werden heute mit Turbofans ausgerüstet. Hierin saugt ein schnell drehendes Schaufelrad, der Fan, Luft von außen in das Triebwerk ein und verdichtet sie. Anschließend teilt sich der Luftstrom in einen äußeren und einen inneren Teil auf. Letzterer wird in einem Turbokompressor weiter verdichtet. In der anschließenden Brennkammer wird der Treibstoff eingespritzt und diese Mischung dann verbrannt. Dabei erhöhen sich Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit des Gases, das eine dahinter folgenden Turbine als Antrieb für den Turbokompressor und den Fan treibt. Anschließend werden sowohl der innere Luftstrom aus der Turbine als auch der außen vorbeigeleitete Luftstrom aus dem Fan in einer Düse beschleunigt ausgestoßen. Hierbei entsteht der Rückstoß, der das Flugzeug antreibt.

 Neue, vom DLR entwickelte Fanstufe
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Charakteristisch für einen Turbofan ist ein großes Verhältnis der Luftmengen vom äußeren Luftstrom zum inneren, der durch die Gasturbine strömt. Dieses so genannte Nebenstromverhältnis erreicht bei modernen Turbofantriebwerken in Zivilflugzeugen einen Wert von vier bis neun. Mit einem höheren Nebenstromverhältnis ließen sich Brennstoffverbrauch und Triebwerksgeräusche verringern. Das heißt, das Triebwerk wird so konstruiert, dass mehr Luft an der Antriebsturbine vorbeiströmt. Doch diese Maßnahme hat zur Folge, dass der Durchmesser des Triebwerks anwächst, was den Luftwiderstand und das Gewicht erhöht. Es sind ganz erhebliche Anstrengungen nötig, damit der Vorteil des hohen Nebenstromverhältnisses die genannten Nachteile übertrifft. Diesem Ziel widmet sich das Institut für Antriebstechnik des DLR.

Hard- und Software aus dem Institut für Antriebstechnik

Das Institut für Antriebstechnik ist im Rahmen des EU-Projektes SILENCE(R) an der Entwicklung neuer Fankonzepte für Flugzeugturbinen beteiligt. Der französische Triebwerkshersteller SNECMA und das rumänische Entwicklungsinstitut für Gasturbinen COMOTI sind die Partner in diesem Projekt. Kürzlich erzielte diese Gruppe einen großen Durchbruch. Nach fünfjähriger Forschungs- und Entwicklungsarbeit wurde eine neue Fanstufe mit einem Nebenstromverhältnis von zwölf experimentell untersucht. Triebwerke mit einem derartigen Fan haben das Potenzial, den spezifischen Brennstoffverbrauch um bis zu 15 Prozent und den Lärm um sechs dBA zu reduzieren. Im Auslegungsprozess musste, um das hohe anvisierte Nebenstromverhältnis im Steigflug zu erreichen, der spezifische Massenstrom um 10 Prozent gegenüber heute üblichen Werten gesteigert werden. Damit stieg die Machzahl vor der Fanschaufel auf fast 0,8 – ein bislang noch nie erreichter Wert.

 Rotor-Simulation im Computer
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Die Auslegung des kompletten Strömungskanals, der Rotorschaufelform sowie der Statoren wurde bereits im frühen Stadium mit Hilfe modernster numerischer 3D-Strömungsberechnungsverfahren optimiert. Die vom DLR ausgelegte Fanstufe wurde von COMOTI aus einem Titanrohling gefertigt. Die Berliner Abteilung Triebwerksakustik des DLR-Instituts für Antriebstechnik hat an der Optimierung der Akustik federführend mitgewirkt. Beim CERP in Saclay wurde im Auftrag der SNECMA die neue Fanstufe nun genau vermessen.

Sollten die experimentellen Tests erfolgreich sein, könnte eine solche Fanstufe ein wichtiger Bestandteil eines lärmarmen und effizienten Flugtriebwerkes der nächsten Generation zum Beispiel für den Nachfolger des Airbus A320 oder der Boeing 737 sein.

Die Ingenieure des Instituts für Antriebstechnik verfügen für Ihre Untersuchungen über einen modernen Anlagenpark. Hierzu zählen Prüfstände für einen 10-Megawatt-Zweiwellen-Fan oder Kompressor sowie für diverse Verdichter- und Turbinengitter. Hinzu kommen großmaßstäbige Hochdruckbrennkammer-Prüfstände, ein Verbrennungslabor mit Modellprüfständen und ein Prüfstand für rotierende Kühlkanäle. Es kommen fortschrittlichste Messtechniken wie laseroptische Verfahren und eine akustische Kamera zur Schallquellenortung zum Einsatz.

Eine zentrale Rolle in der Triebwerksentwicklung spielt das im Institut entwickelte CFD-Verfahren TRACE. Es wird mittlerweile nicht nur an DLR-Instituten und an Universitäten für die Untersuchung von Turbomaschinen-Strömungen eingesetzt, sondern auch in der Industrie für die Auslegung neuer Turbokomponenten. Besondere Bedeutung kam dem Programm in jüngerer Vergangenheit zu, als mit ihm beim Industriepartner MTU Aero Engines Komponenten eines von zwei möglichen Triebwerken des Airbus A380 entwickelt und optimiert wurden.

Die Simulation der Triebwerkströmung stellt die Entwickler vor erhebliche Probleme: Starke Druckanstiege im Verdichter und Strömungsabrisse an den Schaufeloberflächen sind nur zwei von vielen Problemen der numerischen Simulation. TRACE ist auch in der Lage, die hochfrequenten akustischen Strömungsanteile zu berechnen, also den Lärm. Damit lassen sich bereits im Entwurfsstadium eines Triebwerks mögliche Lärmquellen aufdecken und vermeiden. Das spart Zeit und Geld bei der Entwicklung. TRACE ist so zu einem führenden Programmsystem zur Strömungssimulation in Turbomaschinen avanciert.

Emissionskataster

 Kondensstreifen von Flugzeugen über Europa
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Zwischen dem Oberpfaffenhofener Institut für Physik der Atmosphäre und dem Kölner Institut für Antriebstechnik gibt es zudem eine fruchtbare Zusammenarbeit. Ingenieure in Köln entwickeln die Berechnungsmethoden für Triebwerksemissionen ständig weiter. Dabei stießen sie vor mehreren Jahren auf eine Korrelation, die es erstmals ermöglichte, die Rußemissionen von Flugzeugen und Triebwerken auf der Basis neu erstellter Modelle und anhand von öffentlich verfügbaren Daten zu berechnen. Diese Korrelation wurde im Rahmen von Forschungskampagnen mit gutem Erfolg bestätigt. Zusammen mit den anderen am Institut für Antriebstechnik entwickelten Emissionskorrelationen für weitere Stoffe wie Stickoxide, Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe, steht hiermit ein Instrumentarium zur Berechnung aller wichtigen Emissionen von Strahlflugzeugen zur Verfügung. Es wurde bereits mehrfach mit Erfolg für die Berechnung weltweiter Emissionskataster als Eingangsgrößen für Klimasimulationen und zur Untersuchung der Emissionsbelastung im Flughafennahbereich eingesetzt.


Erstellt am: 03.12.2007 16:30:00 Uhr