23. Juni 2021
Wie bei Zugvögeln

Bes­se­re Kli­ma­bi­lanz durch For­ma­ti­ons­flug

Das hintere Flugzeug surft auf dem Luftstrom der Wirbelschleppe.
Das hin­te­re Flug­zeug surft auf dem Luft­strom der Wir­bel­schlep­pe.
Bild 1/2, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Das hintere Flugzeug surft auf dem Luftstrom der Wirbelschleppe.

Im Rei­se­flug sind Wir­bel­schlep­pen in der Re­gel sehr sta­bil. Beim For­ma­ti­ons­flug bringt ein spe­zi­el­les Flug­ma­nö­ver das hin­ter­her­flie­gen­de Luft­fahr­zeug in den ent­spre­chen­den auf­stei­gen­den Luft­strom des Vor­der­manns. Das hin­te­re Flug­zeug nutzt die Wir­bel­schlep­pe und lässt sich da­von nach oben trei­ben: Air Wa­ke Sur­fing for Ef­fi­cien­cy (AW­SE). 
Zugvögel schonen ihre Energie-Ressourcen im Flug geschickt durch Bildung von V-Formationen.
Zug­vö­gel scho­nen ih­re Ener­gie-Res­sour­cen im Flug ge­schickt durch Bil­dung von V-For­ma­tio­nen.
Bild 2/2, Credit: DLR/Marks

Zugvögel schonen ihre Energie-Ressourcen im Flug geschickt durch Bildung von V-Formationen.

Die hin­te­ren Vö­gel sur­fen auf den vom Vor­der­tier ver­ur­sach­ten Luft­wir­beln und kön­nen so auf ih­rer lan­gen Rei­se Kräf­te ein­spa­ren. Die Über­tra­gung die­ses Prin­zips auf Ver­kehrs­flug­zeu­ge im großen Stil un­ter­sucht das Deut­sche Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR).
  • DLR entwickelt modellbasierte Methode und Betriebskonzept zur Berechnung der Klimawirkung von Formationsflügen.
  • Globale Formationsflüge haben das Potenzial, den Treibstoffverbrauch auf Langstreckenflügen um bis zu fünf Prozent und die Klimawirkung um bis zu 25 Prozent zu verringern.
  • Schwerpunkte: Luftfahrt, klimafreundliches Fliegen, Digitalisierung

Zugvögel schonen ihre Energie-Ressourcen im Flug geschickt durch Bildung von V-Formationen. Die hinteren Vögel surfen dabei geradezu auf den vom Vordertier verursachten Luftwirbeln und können so auf ihrer langen Reise Kräfte einsparen. Die Übertragung dieses Prinzips auf Verkehrsflugzeuge im großen Stil untersucht das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Im Projekt FORMIC (Formation Flight Impact on Climate) haben Forschende mit Softwaretools berechnet, welche Langstreckenflüge über den gesamten Globus sich für Formationen zweier Luftfahrzeuge eignen. Mit den vom DLR durchgeführten Studien konnte ermittelt werden, dass sich der Treibstoffverbrauch durch Formationsflüge um bis zu fünf Prozent und die Klimawirkung um bis zu 25 Prozent verringern lassen könnten.

Surfen auf der Wirbelschleppe

Ein Flugzeug zieht immer zwei gegenläufige Luftwirbel, sogenannte Wirbelschleppen, hinter sich her. Beim Starten und Landen sind diese Luftverwirbelungen für Flugzeuge gefährlich, weshalb immer eine gewisse Zeit zwischen startenden oder landenden Flugzeugen auf der gleichen Landebahn verstreichen muss. Im Reiseflug sind die Wirbelschleppen allerdings in der Regel sehr stabil. Beim Formationsflug bringt ein spezielles Flugmanöver das hinterherfliegende Luftfahrzeug in den entsprechenden aufsteigenden Luftstrom des Vordermanns, wo es der Autopilot sicher und kontrolliert in Position hält. Das hintere Flugzeug nutzt die Wirbelschleppe und lässt sich davon nach oben treiben. In der Fachsprache heißt dieses Prinzip Air Wake Surfing for Efficiency (AWSE). „Der hintere Flieger surft quasi auf der Wirbelschleppe des vorderen und kann durch die zusätzliche Energie seinen Schub reduzieren. Die hierdurch erreichte Treibstoffeinsparung führt dann wiederum zu einer Reduktion der Treibhausgasemissionen“, veranschaulicht DLR-Projektleiter Dr. Tobias Marks die Funktionsweise.

Weniger Wolken, weniger Erderwärmung

Ein weiterer Vorteil ist, dass die Klimawirkung von zwei nah hintereinander fliegenden Flugzeugen geringer ist als von zwei unabhängigen Flügen. Wenn der durch die Treibstoffverbrennung ausgestoßene Ruß auf feuchte Luft in der Atmosphäre trifft, kondensiert diese zu Kondensstreifen. Diese sind physikalisch nichts anderes als Wolken und können das Klima beeinflussen, weil die Wolkendecke die Wärme in der Atmosphäre hält. Die Kondensstreifen von den beiden Formationsflugzeugen müssen das in der Atmosphäre befindliche Wasser unter sich aufteilen. Somit können sich diese weniger stark ausbilden als bei zwei separat fliegenden Flugzeugen. Dies führt folglich zu einer geringeren Klimawirkung. Um diese Effekte zu berechnen, verwendet das DLR-Institut für Physik der Atmosphäre das Programm AirClim. Es ermittelt die Änderung der global gemittelten, bodennahen Temperatur aufgrund von Emissionen und Kondensstreifen.

Gemeinsam um die Welt fliegen

Vor Pandemiezeiten waren täglich mehrere Tausend Flüge mit verschieden Flugzeugtypen in unterschiedlichen Höhen um den ganzen Globus unterwegs. Eine Herausforderung stellt daher die Integration von Formationsflügen in das bestehende weltweite Luftverkehrssystem dar. Zur Identifikation geeigneter Formationspartner hat das DLR-Institut für Lufttransportsysteme das Software Toolkit MultiFly entwickelt. Der Einfachheit halber wurden in der Studie zunächst ausschließlich Langstreckenflüge mit dem gleichen Flugzeugtyp betrachtet. Auf Langstreckenflügen bietet der Formationsflug das größte Potenzial, Treibstoff einzusparen. Das Toolkit berechnet, wo sich zwei Formationspartner treffen, welche gemeinsame Route sie fliegen und wo sie sich schließlich wieder trennen und jeder seinen Zielflughafen ansteuert. Der entscheidende operationelle Erfolgsfaktor ist, die Flugpärchen zu finden, die bei unterschiedlichen Startpunkten eine möglichst lange Zeit gemeinsam fliegen. Darüber hinaus ermittelt MultiFly die zu erwartenden Treibstoff- und Emissionseinsparungen. „Betrachten wir den Luftverkehr weltweit, so könnten wir durch Formationsflug mit verhältnismäßig geringem Aufwand einen großen, positiven Effekt auf den Klimaschutz für unserer Erde erreichen“, erklärt Wissenschaftler Marks.

Forscherteams des Deutsche Zentrums für Luft- und Raumfahrt arbeiten gemeinsam mit der Technischen Universität Hamburg und der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen in dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Projekt FORMIC.

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