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Luftfahrt: Bio-Kraftstoffe verringern Kondensstreifen

Mischung mit 50 Prozent Biokerosin verringert Klimaeffekt um 20 bis 30 Prozent

Messflug
Verfolgungsflug für die Wissenschaft: Ein Messflugzeug der NASA fliegt direkt hinter einem Testflugzeug her, das mit verschiedenen Kraftstoffmischungen betankt wurde. Das verrät, wie das Bio-Kerosin die Abgase und Kondensstreifen verändert. © DLR/NASA

Positive Wirkung: Wenn Flugzeuge Bio-Kraftstoffe statt normalem Kerosin nutzen, verkleinert dies nicht nur den CO2-Fußabdruck des Luftverkehrs – auch die negativen Klimaeffekte durch Kondensstreifen werden verringert, wie Testflüge belegen. Wurde die Hälfte der Kerosins durch einen biobasierten Kraftstoff ersetzt, halbierte dies den Rußausstoß und die Menge der Eiskristalle im Kondensstreifen und die Klimawirkung sank um 20 bis 30 Prozent, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature Communications“ berichten.

Ob aus Pflanzenabfällen, Wasserstoff oder sogar Plastikmüll: Neben dem Elektroantrieb oder Solarfliegern gelten vor allem biobasierte und synthetische Kraftstoffe als mögliche Alternativen zu dem bisher aus Erdöl gewonnen Kerosin. Ziel solcher alternativen Treibstoffe ist es vor allem, den Treibhausgas- und Schadstoffausstoß von Flugzeugen zu verringern und die CO2-Bilanz des Luftverkehrs zu verbessern. Denn die hoch in der Atmosphäre freigesetzten Emissionen und die vom Abgasstrahl verursachten Kondensstreifen entfalten eine besonders starke Klimawirkung.

Messungen im Verfolgungsflug

Ob Bio-Kerosin die Flugzeug-Emissionen und ihre Klimawirkung verringern kann, hat ein Team um Christiane Voigt vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Oberpfaffenhofen in verschiedenen Flugtests gemeinsam mit der NASA untersucht. Dafür flogen die Wissenschaftler mehrfach mit einem Airbus A320, der mit normalem Jet A-1-Kerosin, einer Mischung aus Kerosin und synthetischem Kraftstoff aus Kohle oder aber mit 30 oder 50 Prozent des Bio-Kraftstoffs Hefa (Hydroprocessed Esters and Fatty Acids) angetrieben wurde.

Ein bis zwei Minuten nach dem Testflugzeug startete das NASA Forschungsflugzeug DC-8 und führte währen des Fluges in dessen Abgasstrahl Messungen zu Emissionen und Kondensstreifenbildung durch. Typischerweise bilden sich die Eiskristalle der Kondensstreifen, weil Feinstaub und Aerosole des Abgases das Auskristallisieren von Wasser fördern. Die Streifen können bei feucht-kalten Bedingungen in Höhen von etwa acht bis zwölf Kilometern mehrere Stunden bestehen und haben meist eine erwärmende Wirkung.

Nur halb so viel Ruß und Eiskristalle

Die Messungen ergaben: Flog das Testflugzeug mit den Bio-Kerosin-Mischungen, sank der Ruß-Ausstoß um 45 bis 53 Prozent. Das führte dazu, dass auch die Bildung der Eiskristalle um etwa die Hälfte absank. Gleichzeitig sind die durch die Emissionen erzeugten Eiskristalle etwas größer als bei normalen Kerosin-Abgasen, was ihre Lebensdauer begrenzt. „Größere Eiskristalle sublimieren schneller und lagern sich auch schneller ab, deswegen halten Kondensstreifen mit größeren Kristallen weniger lange“, so das Forschungsteam.

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Insgesamt ermittelten die Wissenschaftler, dass sich die Klimawirkung der Kondensstreifen durch die -Nutzung einer Kraftstoffmischung um 20 bis 30 Prozent reduzieren lässt. „Eine geringere Anzahl von Eiskristallen verringert den durch Kondensstreifen verursachten zusätzlichen Energieeintrag in die Atmosphäre. Damit verringert sich die klimawärmende Wirkung der Kondensstreifen-Bewölkung deutlich“, erklärt Voigt. „Dieser Nachweis ist ein Durchbruch für die Möglichkeiten einer klimafreundlicheren Luftfahrt.“

Gehalt zyklischer Kohlenwasserstoffe entscheidend

Einer der Gründe für diesen positiven Effekt ist die Zusammensetzung der biobasierten und synthetischen Kraftstoffe: „Alle diese nachhaltigen Kraftstoffe haben gemeinsam, dass sie ohne zyklische Kohlenwasserstoffe, sogenannte Aromate, produziert werden können“, erläutert Patrick Le Clercq vom DLR-Institut für Verbrennungstechnik in Stuttgart. „Weniger Aromate im Kraftstoff bedeuten weniger Ruß in den Emissionen und damit weniger Eiskristalle in den Kondensstreifen.“

Weil die alternativen Kraftstoffe nicht aus Erdöl und anderen fossilen Brennstoffe gewonnen werden, ist zudem ihr CO2-Fußabdruck geringer: Biobasierte Treibstoffe geben nur die Menge an CO2 ab, die vorher von den Pflanzen aus der Luft aufgenommen und in Form organischer Verbindungen in ihre Gewebe eingebaut wurde. Kraftstoffe aus Abfällen oder mithilfe von regenerativen Energien gewonnenem Wasserstoff können ebenfalls zur CO2-Einsparung beitragen. „Damit verringern nachhaltige Kraftstoffe die beiden größten klimawärmenden Effekte der Luftfahrt, Kondensstreifen und den CO2-Fußabdruck“, so Le Clercq.

Alternative Kraftstoffe als Brückentechnologie

Nach Ansicht des Forschungsteams könnten alternative Kraftstoffe dazu beitragen, die Luftfahrt zumindest vorübergehend klimafreundlicher zu machen – bis langfristig bessere Lösungen wie beispielsweise ausgereifte Elektroflugzeuge zur Verfügung stehen. „Mit den sogenannten Sustainable Aviation Fuels SAF verfügen wir über eine Brückentechnologie auf dem Weg zu einer emissionsfreien Luftfahrt“, sagt Markus Fischer vom DLR.

Nach den Ergebnissen für die Mischungen aus Kerosin und nachhaltigem Kraftstoff schauen die Forschenden nun gespannt darauf, wie sich Flüge ausschließlich mit nachhaltigen Kraftstoffen 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. (Nature Comunications Earth & Environment, 2021; doi: 10.1038/s43247-021-00174-y)

Quelle: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) , Max-Planck-Gesellschaft

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