Kondensstreifen-Bildung – Ruß allein nicht entscheidend

„Dank der engen Zusammenarbeit von Industrie und Forschung ist es uns gelungen, komplexe Messflüge durchzuführen und einen einzigartigen Datensatz zu gewinnen. Diese Daten und Erkenntnisse helfen, Triebwerke und Klimamodelle zu verbessern – für eine wettbewerbsfähige und klimaverträgliche Zukunft der Luftfahrt“, betont Dr. Markus Fischer, DLR-Bereichsvorstand Luftfahrt.

"Solche Testkampagnen sind entscheidend, um das Verständnis und die Modellierung von Kondensstreifen in Abhängigkeit von den verschiedenen Einflussfaktoren zu verbessern und Grundlagen für unsere künftigen technologischen und operativen Maßnahmen zur Emissionsminderung zu schaffen. Dies ist ein weiteres Beispiel für die hervorragende Zusammenarbeit zwischen Forschungszentren und der Industrie, die entscheidend ist, um bei diesem komplexen Thema rasch Fortschritte zu erzielen", sagt Dr. Mark Bentall, Leiter des R&T-Programms bei Airbus.

Kondensstreifen-Bildung verstehen

Kondensstreifen-Zirruswolken tragen maßgeblich zur Klimawirkung der Luftfahrt bei. Diese Eiskristall-Wolken entstehen in Reiseflughöhe, wenn heiße Abgase auf sehr kalte, feuchte Luft treffen. Partikel aus den Triebwerksabgasen wirken dabei als Keime für Eiskristalle. Bisher ging man davon aus, dass Rußpartikel die Anzahl der Eiskristalle in Kondensstreifen steuern. Die neuen Erkenntnisse markieren einen Paradigmenwechsel bei der Bildung von Kondensstreifen.

Für die Studie wurden 15 Messflüge durchgeführt, mit Hochgeschwindigkeits-Verfolgungsmanövern in zehn Kilometern Höhe über dem Mittelmeer und Atlantik, in entsprechend gesperrtem Luftraum. Die Falcon 20E durchquerte mehrfach die Abgasfahne des Passagierflugzeugs. Zudem beprobte sie mehrere Kilometer hinter dem Flugzeug dessen voll entwickelten Kondensstreifen. Von CFM International modifizierte Triebwerkssteuerungen ermöglichten die Einstellung von definierten Betriebszuständen mit magerer oder fetter Verbrennung. So konnten die Forschenden Emissionen und Kondensstreifen-Eigenschaften bei unterschiedlichen Niveaus von Ruß-Emissionen vergleichen. Die Triebwerke wurden auch mit Test-Kraftstoffen betrieben, die unterschiedliche Mengen an Schwefel und Aromaten enthielten. Die DLR-Einrichtung Flugexperimente betreibt die Falcon 20E seit 30 Jahren – ihre jahrzehntelange Erfahrung war essenziell für den anspruchsvollen Einsatz in dieser Forschungsmission.

Ergebnisse der Flugmessungen

Die Ergebnisse mit diesem Triebwerkstyp zeigen, dass bei magerer Verbrennung die Ruß-Emissionen um drei Größenordnungen im Vergleich zur fetten Verbrennung reduziert sind. Überraschenderweise blieb die Zahl der Eiskristalle in den Kondensstreifen jedoch hoch und lag weit über der Anzahl der im Abgas gemessenen Rußpartikel. Dies deutet darauf hin, dass Ruß allein die Bildung von Kondensstreifen bei niedrigen Rußausstoß nicht erklären kann. Stattdessen beobachteten die Forscher bei diesen Tests eine große Anzahl flüssiger Partikel, die sich in der abkühlenden Abgasfahne bildeten – in einer ähnlichen Konzentration wie die Anzahl der gemessenen Eiskristalle.

„Der entscheidende Moment kam, als die ersten Daten keinen Ruß – und trotzdem Kondensstreifen zeigten“, sagt Prof. Christiane Voigt, wissenschaftliche Projektleiterin am DLR und der JGU. „Uns war sofort klar, dass wir unser Verständnis der Kondensstreifen-Bildung weiterentwickeln müssen, um die technologische Zukunft der Luftfahrt zu gestalten.“

Neue Erkenntnisse für Klimamodelle

Kraftstoffe mit niedrigerem Schwefelgehalt führten zu einer Verringerung der Anzahl der Eiskristalle in den Kondensstreifen. Mikrophysikalische Simulationen der Universität Albany und von ONERA reproduzierten erfolgreich die beobachteten Trends. Die Ergebnisse zeigen auch, dass bei extrem schwefelarmen Kraftstoffen flüchtige organische Verbindungen und Schmieröl-Dämpfe zunehmend wichtig für die Bildung neuer Partikel werden.

Diese Erkenntnisse erweitern die klassische Theorie der Kondensstreifen-Bildung um zusätzliche Pfade, die flüssige Partikel aus schwefelhaltigen und organischen Verbindungen im Kraftstoff und Schmieröl-Partikel einbeziehen. Die meisten Klimamodelle für Kondensstreifen berücksichtigen diese neuen Wege der Eiskristall-Bildung noch nicht und könnten daher die Bildung von Kondensstreifen – und die damit verbundene Erwärmung – unterschätzen. Die Einbeziehung dieser Prozesse ist essenziell, um die aktuellen Prognosen zur Klimawirkung der Luftfahrt zu verbessern.

„Die Ergebnisse der Messkampagne sind ein eindrucksvoller Beleg für die hervorragende Zusammenarbeit der JGU mit dem DLR und den beiden Unternehmen Airbus und CFM International“, sagt Prof. Stefan Müller-Stach, Vizepräsident für Forschung und akademische Karrierewege an der Universität Mainz. „Und sie bilden nun eine tolle Grundlage für unsere Forschenden, sich weiterhin an der Entwicklung nachhaltiger Luftfahrt zu beteiligen und dadurch etwas im Klimaschutz zu bewegen.“

Technologien für die klimaverträgliche Luftfahrt

Künftige Klimaschutzstrategien könnten die Kraftstoffzusammensetzung, die Auslegung des Verbrenners und der Gestaltung der Entlüftungs-Systeme von Schmierölen berücksichtigen. Gerade die Optimierung der Schmieröl-Entlüftungssysteme könnte den Triebwerksherstellern einen zusätzlichen technischen Hebel bieten. Aktuelle Emissionsstandards regulieren nur die Emissionen von Gasen und die Ruß-Partikel. Die neuen Erkenntnisse deuten darauf hin, dass auch die Minimierung kleiner flüssiger Partikel ein wichtiger Weg sein kann, um den Klimaeffekt von Kondensstreifen zu verringern. Obwohl der Schwefelgehalt im Kraftstoff auf maximal 0,3 Prozent limitiert ist, könnten weitere Reduktionen notwendig sein, um die Bildung von Eiskristallen in Kondensstreifen deutlich zu begrenzen.

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