Luftlöcher vor dem Flugzeug mit Laser messen

Viele Fluggäste kennen das Phänomen: der Himmel ist strahlend blau, das Flugzeug befindet sich im ruhigen Reiseflug, doch plötzlich kommt eine Turbulenz, die sich unangenehm im Flugzeug bemerkbar macht. Diese wird von den Passagieren häufig als eine Art "Luftloch" wahrgenommen. Der tatsächliche Grund für die unangenehme Änderung der Flughöhe ist eine sogenannte "clear air turbulence", die man in Zukunft automatisch erkennen möchte.

Die clear air turbulence ist eine Turbulenz, die unabhängig von Bewölkung auftritt, somit nicht sichtbar und auch nicht genau vorhersagbar ist. Für Passagiere und Besatzung in der Kabine bedeutet dies bei starken Turbulenzen eine erhöhte Sturz- und Unfallgefahr. In der neuesten Atmosphärenforschung gibt es zudem Hinweise darauf, dass diese Turbulenzen aufgrund des Klimawandels künftig verstärkt im Luftverkehr auftreten und diesen damit noch weiter belasten werden.

Eine Methode zur Erkennung der Turbulenzen wurde nun erstmals im Rahmen des europäischen Verbundprojekts DELICAT (Demonstration of LIDAR based Clear Air Turbulence detection) entwickelt. Die neue Technologie wird aktuell vom Deutschen Zentrum für Luft– und Raumfahrt (DLR) zusammen mit den Projektpartnern erprobt. Die aktuelle Messflugkampagne findet bis Ende August statt. Die Flugroute führt von Amsterdam aus über ganz Europa.

CAT – Turbulenzen an den Scherungen der Jetstreams

Entlang des Jetstreams entstehen häufig Windscherungen – ausgedehnte Luftschichten, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten horizontal gegeneinander bewegen. Besonders starke Windscherungen können Wellen ausbilden, die schließlich auch brechen können – ganz wie eine Welle auf dem Wasser. Der Bruch einer Welle verursacht Verwirbelungen in der Luft beziehungsweise eine Turbulenz – die "clear air turbulence" (CAT).

Sobald ein Flugzeug auf diese Turbulenz trifft, verändert sich an den Tragflächen der Anstellwinkel der Luftströmung. Die Folge sind die bekannten Schwankungen im Auftrieb des Flugzeugs. CATs sind bislang ein unvermeidbares Phänomen für den Flugverkehr, da diese verwirbelten Luftmassen im klaren Himmel weder für das Auge sichtbar, noch mit Sensoren messbar sind.

Streuung von Laserlicht verrät Dichteschwankungen

Eine Lösung ist aber in Sicht: Die Luftturbulenzen können künftig berechnet werden, die notwendigen Daten soll ein Messverfahren per Laser liefern. Idee ist es, geringste Änderungen in der Dichte und der Geschwindigkeit der Luft auf der Strecke voraus zu identifizieren und dadurch CATs aus der Entfernung zu erkennen und vorherzusagen.

Forscher am DLR-Institut für Physik der Atmosphäre haben dafür ein laserbasiertes Messgerät entwickelt: Ein LIDAR-Instrument (Light Detecting and Ranging) wird am Flugzeug angebracht und sendet in Flugrichtung kurzwellige UV-Laserstrahlen. Aus dem gemessenen Rückstreu-Wert der Luftmoleküle aus Sauerstoff und Stickstoff wird die Dichte der Luft bestimmt. Schwankungen in der Dichte geben dann Aufschluss über dort herrschende Turbulenzen. Die indirekt gewonnenen Informationen ermöglichen eine spezifische Analyse der Luft des zu durchfliegenden Bereichs: So werden "clear air turbulences" für die kommende Strecke im Voraus sichtbar.

Cessna Citation mit neuem DLR-Messinstrument

Die aktuell stattfindenden Testflüge des Projekts "DELICAT" dienen zur Demonstration des Messverfahrens und der Funktionsfähigkeit der neuen Technologie. Dafür ist das Forschungsflugzeug PH-LAB des niederländischen Partners National Aerospace Laboratory (NLR) im Einsatz, eine modifizierte Cessna Citation. Für die Lasermessungen ist das UV-LIDAR System eingebaut, das vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre speziell entwickelt wurde.

Nach erfolgreichem Abschluss des Messflugkampagne folgt die Auswertung der Daten. Dank der umfassenden Messergebnisse zu den "clear air turbulences" werden die Forscher nicht nur in der Lage sein, ihre neue Technologie zu demonstrieren. Zusätzlich wird ihnen der einmalige Datensatz wichtige Erkenntnisse zu den Entstehungsmechanismen und komplexen atmosphärischen Prozessen liefern. Langfristiges Ziel ist es, ein integriertes Erkennungssystem zur Vermeidung von Luftturbulenzen zu entwickeln. Zukünftig könnten Piloten dann in der Flugzeugkabine den Hinweis ausgeben zum Sitzplatz zurückzukehren und den Sicherheitsgurt anzulegen, oder gar entsprechende Regionen umfliegen.

DELICAT – Verbundprojekt von Forschungsinstituten und Wirtschaft

"DELICAT" (Demonstration of LIDAR based Clear Air Turbulence detection) ist ein von der Europäischen Union gefördertes Verbundprojekt. Das Projekt wird ermöglicht durch das Siebte Rahmenprogramm der Europäischen Kommission (FP7/2007-2013) unter Grant-Agreement Nr. 233801. Es wurde 2009 gestartet und endet im März 2014.

Insgesamt 12 Partner aus sieben EU-Ländern sind an dem Verbundprojekt beteiligt: Projektkoordinator THALES, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Hovemere, Météo France, Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium (NLR), Office National d’Etudes et de Recherches Aérospatiales (ONERA), National Institute of R&D for Optoelectronics (INOE), A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics (RAS), Laser Diagnostic Instruments, Interdisciplinary Centre for Mathematical and Computational Modelling/Warsaw University sowie die EADS Deutschland GmbH.