DLR forscht für alternative Treibstoffe

Langsam kristallisiert sich aus dem weißen Nebel ein kleiner Punkt. Das kleinere Flugzeug lässt sich nicht abschrecken und pirscht sich unerbittlich durch den Kondensstreifen an den Airliner heran. Keine Szene aus dem neuen James-Bond-Film, sondern Flugtests zum Schutz der Umwelt. Anfang Oktober führte nämlich das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Versuche mit alternativen Treibstoffen am Himmel über Deutschland durch. Im Mittelpunkt der acht bis zum 9. Oktober durchgeführten Flüge standen die Messung der Rußemissionen und die Analyse deren Einflusses auf die Atmosphäre. 

„Jettriebwerke stoßen verschiedene Emissionen aus, darunter CO2, H2O, Stickoxide und Rußpartikel. Zudem können sich bei geeigneten Atmosphärenbedingungen Kondensstreifen bilden. Dabei sind das emittierte CO2 und die Kondensstreifen die zwei wichtigsten Klimakomponenten im Luftverkehr, die zu einer Erwärmung der Atmosphäre führen. Für die Bildung von Kondensstreifen sind Nukleationskerne nötig, Partikel, an denen der Wasserdampf auskondensiert. Das sind hauptsächlich die Rußpartikel“, erklärt Dr. Hans Schlager vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre in Oberpfaffenhofen im Gespräch mit der FLUG REVUE. Nun wollten die Wissenschaftler im Flug feststellen, ob alternative Treibstoffe wirklich weniger Rußemissionen verursachen, und inwieweit die Anzahl, Größe und Form der Eispartikel in Kondensstreifen dadurch verändert werden. Die Kampagne erfolgte im Rahmen des ECLIF-Projekts (Emission and Climate Impact of Alternative Fuels). „Hier untersuchen wir unter Beteiligung von vier DLR-Einrichtungen unterschiedliche synthetische Treibstoffe von ihrer Zusammensetzung über die Verbrennung bis hin zu den Auswirkungen auf das Klima, damit wir in der Zukunft solche Treibstoffe auch optimieren können“, sagt ECLIF-Leiter Dr. Patrick Le Clerq. 

Ritt im Abgasstrahl

Die Messungen in der Luft erfolgten mit der Dassault Falcon 20 des DLR. Foto und Copyright: DLR

Dabei startete der Airbus A320 ATRA (Advanced Technology Research Aircraft) des DLR vom Flugplatz in Manching aus und traf sich in einem ansonsten dem Militär vorbehaltenen Luftraum über dem Allgäu mit der aus Oberpfaffenhofen kommenden Dassault Falcon 20, ebenfalls vom DLR. Die beiden V2500-Triebwerke von International Aero Engines des ATRA liefen dabei mit einer Mischung aus konventionellem Jet A-1 und einem synthetischen Treibstoff auf Kohlebasis aus Südafrika. Bei den jeweils drei bis vier Stunden dauernden Flügen positionierte sich die Falcon in Abständen von 20 Kilometern bis hin zu nur 50 Metern hinter dem ehemaligen Verkehrsflugzeug, um die entsprechenden Messungen vorzunehmen. Nicht sehr angenehm für die Passagiere an Bord, denn die Flüge mit einer Reisegeschwindigkeit zwischen Mach 0.5 bis 0.65 erwiesen sich als sehr unruhig. „Wir versuchten, außerhalb des Randwirbels zu bleiben. Im Prinzip reitet man auf einer Welle, und wenn man zu weit nach außen kommt, spuckt sie einen aus“, erklärt Oliver Brieger, Leiter des DLR-Forschungsflugbetriebs. Außerdem hatten die Piloten Vorgaben, mit welcher Leistung die ATRA-Triebwerke betrieben werden sollten. „Die Falcon produzierte mit ihrer ganzen Messtechnik, die auf dem Rumpf und unter den Tragflächen montiert ist, zusätzlichen Widerstand, sodass der ATRA meist mit Speed Brakes fliegen musste, um die Vorgaben zu erreichen und dabei der Falcon nicht davonzufliegen. Wenn man im Abgasstrahl fliegt, wird man eher weiter nach hinten gedrängt. Daher war es recht anspruchsvoll, den Kern des Abgasstrahls genau zu treffen.“ Die Falcon 20 war laut Brieger genau das richtige Flugzeug für diese Aufgabe: „Das Flugzeug ist dermaßen robust, dass es solche Einsätze gut aushalten kann.“ 

Messung mit Lasern

Zum Vergleich wurden auch am Boden Emissionsmessungen mit der A320 ATRA durchgeführt. Foto und Copyright: DLR

Eine weitere Herausforderung stellte die Erfassung der Eispartikel dar. Rußemissionen lassen sich über spezielle Einlassrohre am Flugzeug erfassen. Dies geht mit Eispartikeln nicht, da sie an den Wänden der Rohre abgeschieden würden oder teilweise verdampfen. Aus diesem Grund installierten die DLR-Forscher unter der Tragfläche der Falcon Laserspektrometer, die jedes Eispartikel in Echtzeit vermessen konnten. 

Nach jedem Flug gab es zur Ergänzung einen Bodenlauf mit hinter den Triebwerken aufgestellten Sonden. Die ersten Ergebnisse zeigen gemäß Dr. Schlager, dass die Rußemissionen bei den untersuchten alternativen Treibstoffen um bis zu 50 Prozent geringer waren. Das heißt aber nicht, dass sich auch die Treibhauswirkung der gebildeten Kondensstreifen um die Hälfe reduziert. „Wenn weniger Kondensationskerne in Form von Ruß vorhanden sind, dann verteilt sich der vorhandene Wasserdampf auf weniger Partikel, und die Eispartikel werden größer. Wie damit die Strahlungswirkung der Kondensstreifen und ihre Lebensdauer verändert werden, müssen die weiteren Analysen ergeben.“ Sie sollen im kommenden Frühjahr abgeschlossen sein. Anfang 2017 ist eine zweite Messkampagne geplant.

Rußbildung

Beim Triebwerk des Airbus A320 ATRA handelt es sich um das V2500 von International Aero Engines. Foto und Copyright: DLR

Um einen alternativen Treibstoff zuzulassen, muss er die gleichen physikalischen Eigenschaften wie Jet A-1 aufweisen. Ein Unterschied liegt in der Zusammensetzung der Kohlenwasserstoffe, die entweder kettenförmig oder zyklisch sind. Letztere werden Aromaten genannt und sind hauptsächlich für die Rußbildung verantwortlich.

Ein vollsynthetischer Treibstoff besitzt keine Aromaten; sie müssen aber zugesetzt werden, da die Zulassungsvorschrift einen Anteil von mindestens acht Volumenprozent vorschreibt. Jet A-1 hat im Schnitt einen Anteil von 15 Prozent.

FLUG REVUE Ausgabe 12/2015