Nachhaltiger Kraftstoff macht Fliegen sauberer

Kondensstreifen verursachen noch vor CO2 den größten Anteil zur Klimaerwärmung durch die Luftfahrt. Nun haben Forschende des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) gemeinsam mit der NASA herausgefunden, dass sich die Klimawirkung von Kondensstreifen senken lässt. Mit der Verwendung einer 50-50-Mischung aus Kerosin und nachhaltigem Kraftstoff (SAF) erzielten sie eine Halbierung der Eiskristallanzahl in Kondensstreifen unter realen Flugbedingungen. Dies führt zu einer 20 bis 30 Prozent geringeren Klimawirkung der Kondensstreifen. Die Ergebnisse öffnen einen Pfad, die Klimawirkung des Luftverkehrs bereits kurzfristig spürbar zu verringern.

Gemeinsames Projekt von DLR und NASA

„Wir konnten bei den gemeinsamen Flugversuchen des DLR und der NASA 2018 eindeutig nachweisen, dass weniger Rußpartikel durch nachhaltige Kraftstoffe in den Abgasen weniger Eiskristalle in Kondensstreifen zur Folge haben. Dazu sind die Eiskristalle im Mittel etwas größer“, erklärt Professorin Christiane Voigt vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre in Oberpfaffenhofen.

„Dieser Nachweis ist ein Durchbruch für die Möglichkeiten einer klimafreundlicheren Luftfahrt“, betont Voigt. „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.“

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. Darunter befand sich reines Jet A-1 Kerosin als Referenz sowie 70-30- und 50-50-Mischungen von Kerosin und dem nachhaltigen Bio-Kraftstoff 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. 

Ganzheitlicher Forschungsansatz

„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 Professorin 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 Kraftstoffe 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 Dr. 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 fossile Brennstoffe bringt langfristig einen wichtigen Gewinn, denn CO2 verbleibt mehr als 100 Jahre in der Atmosphäre und treibt die Erderwärmung an.

Brückentechnologie zu klimaneutralem Fliegen

„Mit den sogenannten Sustainable Aviation Fuels (SAF) verfügen wir über eine Brückentechnologie auf dem Weg zu einer emissionsfreien Luftfahrt“, erklärt Dr. 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.“

Nach den vielversprechenden Ergebnissen für 50-50-Mischungen aus Kerosin und nachhaltigem Kraftstoff schauen die Forschenden nun gespannt darauf, wie sich Flüge mit reinem SAF auf die Emissionen und Kondensstreifen auswirken. Dazu fanden kürzlich gemeinsame Flugversuche von Airbus, Rolls-Royce, DLR und weiteren Partnern statt. Die Daten der Flüge werden derzeit ausgewertet. Weitere Testflüge sind für den Herbst 2021 geplant.

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