Klimaforschung von DLR und Nasa 17. Jun 2021 Von Stephan W. Eder

Biofuels verringern Klimawirkung des Fliegens

Nachhaltige Kraftstoffe verringern die Klimawirkung von Kondensstreifen deutlich, ergaben Messreihen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der US-Raumfahrtbehörde Nasa im Rahmen gemeinsamer Flugversuche. Die Ergebnisse könnten einen möglichen Pfad aufzeigen, die Klimawirkung des Luftverkehrs kurzfristig spürbar zu senken.

Gemeinsame Forschungsflüge - das Nasa-Flugzeug DC-8 (li. unten) und der vorausfliegende Airbus 320 ATRA (re. oben) des DLR - zur Messung der Wirkung verschiedener Anteile nachhaltigen Treibstoffs im Kerosin im Herbst 2018.
Foto: DLR/Nasa/Friz.

Langsam füllt sich der Himmel wieder – mehr und mehr Kondensstreifen sind nach dem Anlaufen der Urlaubsreisesaison aufgrund sinkender Coronazahlen am Himmel zu sehen. Punktgenau zur Sommerferiensaison veröffentlichte heute das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) zusammen mit der US-Raumfahrtbehörde Nasa eine Studie in „Nature Communications Earth & Environment“, die Hoffnung macht, dass die Klimaauswirkungen des Fliegens vielleicht schneller in den Griff zu bekommen sind als bisher gedacht.

Forschende beider Organisationen fanden demnach heraus, 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. Und dies führt dazu, dass die Klimawirkung der Kondensstreifen ebenfalls nachlässt, und zwar um zwischen 20 % und 30 %.

Klimaschädliche Wirkung des Luftverkehrs

Der Anteil der globalen Luftfahrt an der anthropogenen Klimaerwärmung beträgt einer DLR-Studie von 2020 zufolge rund 3,5 %. Es war damals die erste Studie seit 2009, die sich damit beschäftigte. Aber nur ein Drittel der Klimawirkung des Luftverkehrs geht aufs Konto des verbrannten Kerosins. Zwei Drittel haben andere Ursachen: Kondensstreifen und die daraus resultierenden Kondensstreifen-Zirren sind dabei der bedeutendste Faktor, so das DLR.

Die Rußpartikel, die beim Verbrennen des Kerosins entstehen, wirken in den Flughöhen von mehreren Kilometern für kleine kalte Wassertropfen als Kondensationskeime. Die Tröpfchen gefrieren instantan und der Kondensstreifen, im Prinzip die Abgasfahne, wird so sichtbar. Entstehen daraus dann Zirruswolken, können diese zur Klimaerwärmung beitragen.

Klimawirkung des Flugverkehrs in Deutschland

Nach Angaben des Öko-Instituts verursachten internationale Reisen aus Deutschland im Jahr 2018 insgesamt 29,4 Mio. t an CO2-Emissionen. Das seien ungefähr 3,4 % der gesamten deutschen Emissionen in diesem Jahr gewesen, so das Freiburger Institut. Die Emissionen aus dem innereuropäischen Luftverkehr und dem EU-Anteil an internationalen Flügen hätten 2018 mit 182 Mio. t etwa 4 % der gesamten Emissionen der EU ausgemacht. Aber das bezieht sich ja nur auf die Treibhausgaswirkung des direkten Verbrennens des Kerosins.

Das Öko-Institut sieht hier – neben der Vermeidung von Flügen – vor allem die Notwendigkeit, neue Technologien zu entwickeln und einzuführen. „Für Luftverkehr, der sich nicht vermeiden lässt, gibt es langfristig zwei Möglichkeiten, die Klimawirkung zu senken: den Einsatz alternativer Kraftstoffe wie E-Fuels oder nachhaltige Biokraftstoffe sowie alternative Antriebskonzepte wie Wasserstoff- und Elektroflugzeuge. Diese Technologien werden aber in absehbarer Zeit nicht in ausreichendem Maße zur Verfügung stehen“, schreibt das Institut.

Testflüge zur Klimawirkung des Fliegens

Genau hier zeigen die jetzt veröffentlichten Ergebnisse der Forschung von DLR und Nasa einen neuen, vielversprechenden Pfad auf. „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 Christiane Voigt vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre in Oberpfaffenhofen. „Dieser Nachweis ist ein Durchbruch für die Möglichkeiten einer klimafreundlicheren Luftfahrt.“

Betankung mit alternativen Treibstoffen der DLR A320 ATRA.
Foto: DLR

Forschungsflugzeug A320 ATRA der DLR bei Bodentests am Morgen im Herbst 2018 auf der Ramstein Air Base in Rheinland-Pfalz. DLR und Nasa erforschten die Klimawirkung unterschiedlicher Anteile nachhaltigen Treibstoffs im Kerosin.
Foto: DLR

Emissionen im Fokus: Blick aus der Nasa DC-8 auf die und vorausfliegende DLR A320 ATRA bei Messflügen zur Wirkung verschiedener Anteile nachhaltigen Treibstoffs im Kerosin im Herbst 2018.
Foto: DLR

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Hintergrund ist, dass sich laut Voigt die Anzahl der Eiskristalle direkt auswirkt auf den durch Kondensstreifen verursachten zusätzliche Energieeintrag in die Atmosphäre. Damit verringert sich die klimawärmende Wirkung der Kondensstreifen-Bewölkung deutlich.

Verfolgungsflug im Abgasstrahl

Vor drei Jahren im Herbst starteten die Testflüge für die Messungen von der Ramstein Air Base in Rheinland-Pfalz. Mehrfach flog das DLR-Forschungsflugzeug ATRA, ein Airbus A320, mit verschiedenen Kraftstoffmischungen über Deutschland.

Darunter befanden 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), so das DLR. Das Nasa-Forschungsflugzeug DC-8 flog dann mit 2 min bis 3 min Verspätung hinterher, um Daten über dessen Emissionen und Kondensstreifen zu erfassen.

Nachhaltige Flugkraftstoffe als Schlüssel zum Klimaschutz beim Fliegen

Als nachhaltige Kraftstoffe gelten solche, die ohne Erdöl aus regenerativen Quellen gewonnen werden. Basis sind Pflanzen oder Abfälle. Hinzu sollen möglichst zeitnah E-Fuels kommen, die über eine Kaskade sogenannter Power-to-X-Technologien erzeugt werden. Beide weisen einen geringeren CO2-Fußabdruck als fossiles Kerosin auf.

Hier findet sich dann auch der Grund, warum sich weniger Rußpartikel in den Abgasen dieser nachhaltigen Kerosin-Ersatzstoffe finden. „Alle diese nachhaltigen Kraftstoffe haben gemeinsam, dass sie ohne zyklische Kohlenwasserstoffe, sogenannte Aromate, produziert werden können“, erläutert Patrick Le Clercq, Projektleiter beim DLR-Institut für Verbrennungstechnik in Stuttgart. „Weniger Aromate im Kraftstoff bedeuten 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.“

Nächster Schritt, fliegen mit 100 % nachhaltigem Kraftstoff

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

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