Weniger Ruß im Abgas von Flugzeugtriebwerken führt nicht unbedingt zu weniger Eiskristallen in Kondensstreifen. Stattdessen spielen bei modernen Turbofans, die weniger Ruß emittieren, kleine flüssige Partikel eine wichtige Rolle bei der Bildung von Kondensstreifen. Das konnte das DLR bei Messflügen in Zusammenarbeit mit Airbus und CFM International im Frühjahr 2023 nachweisen, wie das DLR am 1. April mitteilte. Die Ergebnisse der Forscher wurden nun im Fachjournal Nature veröffentlicht.
Langlebige Kondensstreifen sind für einen großen Teil der Klimawirkung der Luftfahrt verantwortlich. Sie entstehen, wenn heiße Abgase in Reiseflughöhe auf sehr kalte und feuchte Luft treffen. Partikel aus Triebwerksabgasen wirken dabei als Kristallisationskeime. Bisher ging die Forschung davon aus, dass Rußpartikel die Anzahl der Eiskristalle in Kondensstreifen steuern. Deswegen dachte man auch, dass moderne Triebwerke mit Magerverbrennung wie das LEAP von CFM International oder der Getriebefan von Pratt & Whitney auch weniger zur Bildung von Kondensstreifen neigen, weil sie weniger Rußpartikel ausstoßen. "Die neuen Erkenntnisse markieren einen Paradigmenwechsel bei der Bildung von Kondensstreifen", schreibt das DLR in einer Pressemitteilung.
Unterschiedliche Verbrennungsmodi, unterschiedliche Treibstoffe
Die Vermessung von Kondensstreifen von Magerverbrennungstriebwerken im Flug fand erstmals im Rahmen des NEOFUELS/VOLCAN-Projekts statt. Dabei arbeiteten Forscher des DLR und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) mit Airbus, CFM International und Modellierungsteams der Universität Albany sowie des französischen Forschungsinstituts ONERA (Office national d’Études et de Recherches Aérospatiales) zusammen. Als Testflugzeug kam ein Airbus A321neo mit LEAP-1A-Triebwerken von CMF International zum Einsatz, als Verfolger diente der DLR-Forschungsjet Falcon 20E. Die Studie untersuchte nach Angaben des DLR auch die bisher unbekannten Rollen von Schwefel und organischen Verbindungen im Kraftstoff und von Schmierölen für die Bildung von Kondensstreifen bei niedrigen Ruß-Emissionen.
15 Messflüge wurden in zehn Kilometern Höhe über dem Mittelmeer und dem Atlantik im eigens gesperrten Luftraum durchgeführt. Dabei durchquerte die Falcon 20E mehrfach in geringem Abstand den Abgasstrahl der A321neo und schnüffelte mehrere Kilometer dahinter in den voll entwickelten Kondensstreifen. Mithilfe der von CFM International modifizierten Triebwerkssteuerung konnten definierte Betriebszustände mit magerer oder fetter Verbrennung eingestellt werden. So konnten die Forscher Emissionen und Kondensstreifen bei unterschiedlichem Ruß-Ausstoß vergleichen. Im Rahmen der Messkampagne kamen auch Test-Treibstoffe zum Einsatz, die unterschiedliche Mengen an Schwefel und Aromaten enthielten. Aromaten sind zyklische Kohlenwasserstoffe, die für Rußbildung verantwortlich sind.
Weniger Ruß, aber gleich viele Eiskristalle
Bei den Messflügen zeigte sich für das LEAP-1A, dass die Ruß-Emissionen bei magerer Verbrennung um drei Größenordnungen geringer sind als bei fetter Verbrennung. Allerdings überraschte die Forscher die Erkenntnis, dass die Zahl der Eiskristalle in den Kondensstreifen jedoch hoch blieb und weit über der Anzahl der im Abgas gemessenen Rußpartikel lag. Dies deute darauf hin, dass Ruß allein die Bildung von Kondensstreifen bei niedrigem Ruß-Ausstoß nicht erklären könne. Stattdessen beobachteten die Forscher nach Angaben des DLR 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", so 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 Ansätze zum Klimaschutz
Im Rahmen der Messflüge stellten die Forscher fest, dass Treibstoffe mit niedrigem Schwefelgehalt zu weniger Eiskristallen in den Kondensstreifen führten. Simulationen der Universität Albany und von ONERA reproduzierten laut DLR erfolgreich die beobachteten Trends. Bei extrem schwefelarmen Kraftstoffen werden flüchtige organische Verbindungen und Schmieröl-Dämpfe zunehmend wichtig für die Bildung neuer Partikel, so das DLR.
Künftige Klimaschutzstrategien könnten nach Ansicht des DLR die Kraftstoffzusammensetzung, die Auslegung des Verbrenners und der Entlüftungs-Systeme von Schmierölen berücksichtigen. Vor allem die Optimierung der Schmieröl-Entlüftungssysteme biete den Triebwerksherstellern möglicherweise einen zusätzlichen technischen Hebel. Aktuelle Emissionsstandards regulieren nur die Emissionen von Gasen und die Rußpartikel. Die neuen Erkenntnisse deuteten darauf hin, dass auch die Minimierung kleiner flüssiger Partikel ein wichtiger Weg sein könne, um den Klimaeffekt von Kondensstreifen zu verringern. Der Schwefelgehalt im Treibstoff ist auf maximal 0,3 Prozent limitiert, es könnten jedoch weitere Reduktionen notwendig sein, um die Bildung von Eiskristallen in Kondensstreifen zu begrenzen, so das DLR.
