Flug im Abgasstrahl: Falcon misst Emissionen und Wirbelschleppen

Biotreibstoffe bieten eine Perspektive den CO2-Abdruck der Luftfahrt zu senken sowie mögliche ungünstige Klimaeinflüsse von Partikelemissionen und Kondensstreifen zu reduzieren. Eine dazu von der NASA geleitete Flugkampagne umfasst mehr als einhundert Wissenschaftler und Techniker.

In gemeinsamen Flugversuchen vom 07. bis 16. Mai 2014 in Kalifornien arbeiten an dem aktuellen Forschungsthema die US-amerikanische Luft- und Raumfahrtbehörde NASA und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowie das kanadische National Research Council (NRC) zusammen.

In typischen Reiseflughöhen werden die Emissionen eines Biotreibstoff-Kerosin-Gemisches sowie dessen Auswirkungen auf die Bildung und Eigenschaften von Kondensstreifen vermessen. Vier Forschungsflugzeuge sind im Einsatz, darunter die Falcon 20-E des DLR. Ausgangsort ist das Armstrong Flight Research Center der NASA am Standort Palmdale/Kalifornien. Dort ist auch die Flugzeugsternwarte SOFIA, auf der Boeing N747NA, stationiert (zu sehen im Hintergrund auf Bild 5 und 9).

Flug in Abgasstrahl und Wirbelschleppe der DC-8

"Messungen in Abgasstrahlen und Kondensstreifen von Flugzeugen erfordern viel Erfahrung und eine erprobte Messausrüstung", sagt der DLR-Missionsleiter, Dr. Hans Schlager vom Institut für Physik der Atmosphäre. "Diese Expertise und Messinstrumentierung hat das DLR in den vergangenen Jahren bei Messungen im Nachlauf von Flugzeugen aufgebaut." Seit dem Jahr 2000 wurde die DLR-Falcon bereits in verschiedenen Messkampagnen bei der Untersuchung von Emissionen und Kondensstreifen hinter Verkehrsflugzeugen eingesetzt.

Die aktuellen Forschungsflüge finden im Rahmen des Projekts ACCESS-II (Alternative Fuel Effects on Contrails and Cruise Emissions) statt. Die vier beteiligten Forschungsflugzeuge fliegen in typischen Reiseflughöhen zwischen neun und zwölf Kilometern in Formation, angeführt von der vierstrahligen DC-8 der NASA. Hinter der DC-8 messen die Wissenschaftler an Bord der DLR-Falcon (erstes Bild) und der NASA-Falcon die Abgas-Zusammensetzung in einer Entfernung von 100 Metern bis 20 Kilometern. Zudem untersucht eine T-33 (Bild 3) des kanadischen National Research Council (NRC) die Dynamik der DC-8-Wirbelschleppe.

Robuste Falcon ideal – Gemisch aus JP-8 mit HEFA

"Unsere Falcon ist ein außergewöhnlich robustes Forschungsflugzeug und ideal für Messungen im Abgasstrahl und in Kondensstreifen", sagt DLR-Testpilot Philipp Weber. "In der Flugzeug-Wirbelschleppe können starke Strukturbelastungen auftreten, für die nicht jedes Flugzeug gebaut ist." Zudem gibt es für die Falcon zahlreiche in-situ Spurengas- und Aerosol-Messinstrumente, die für die harschen Bedingungen im Nachlauf eines Flugzeugs ausgelegt sind. Die DLR-Falcon wurde im Frühjahr 2010 deutschlandweit bekannt, während sie als Vulcano Ash Hunter Messungen in der Aschewolke des isländischen Vulkans Eyjafiallajökull über der Bundesrepublik durchführte.

Bei den Versuchsflügen in Kalifornien ergänzen sich die Wissenschaftsteams und die verschiedenen Forschungsflugzeuge gut. So begrüßt auch NASA-Projektleiter Bruce Anderson vom NASA Langley Research Center die internationale Unterstützung: "Die Expertise und Messmöglichkeiten des DLR leisten einen wichtige Beitrag zur ACCESS-II-Kampagne." Bereits seit 15 Jahren haben DLR-Forscher mit der NASA im Bereich der Atmosphärenforschung zusammengearbeitet und damit die Grundlage für die jetzige gemeinsame Flugkampagne in Kalifornien gelegt. "Für die DLR-Wissenschaftler ist es ein großer Gewinn bei dieser Forschungsmission mit der NASA zusammenzuarbeiten", betont Hans Schlager.

Während der Forschungsflüge werden die vier CFM56-Triebwerke der DC-8 abwechselnd mit regulärem JP-8 Flugtreibstoff und einer eins zu eins Mischung aus JP-8 und dem Biotreibstoff HEFA (Hydroprocessed Esters and Fatty Acids) betrieben. HEFA wird aus dem Öl der Camelina-Pflanzen gewonnen. Die DLR-Forscher konzentrieren sich bei Ihren Messungen der Biotreibstoffabgase auf die Emissionen von Rußpartikeln-und Schwefelverbindungen, sowie die Größe und Form der Eiskristalle in den Kondensstreifen.

Biotreibstoffe für weniger Ruß- und Schwefelpartikel

Es wird erwartet, dass bei der Verbrennung von Biotreibstoffen, zusätzlich zur besseren CO2-Bilanz, deutlich weniger Ruß- und Schwefelpartikel freigesetzt werden. Damit könnten sich bei geringerem Rußanteil größere Eiskristalle in den Kondensstreifen bilden und sich insgesamt die Klimawirkung des Luftverkehrs durch eine Erhöhung der Wolkenbedeckung reduzieren.

Die Ergebnisse der gemeinsamen Flugversuche von NASA, DLR und NRC werden auch auf dem nächsten Treffen des internationalen Netzwerks für Luftfahrtforschung IFAR (International Forum for Aviation Research) diskutiert werden. Ein internationales Team von 23 IFAR-Mitgliedsstaaten erhält Zugang zu den Ergebnissen des Forschungsvorhabens. IFAR ist das aktive Forum der international führenden Luftfahrtforschungsakteure. Das DLR nimmt in IFAR gemeinsam mit der NASA eine tragende Rolle ein.

Zukünftig wird sich das DLR dem Forschungsthema Alternative Treibstoffe für die Luftfahrt im Projekt ECLIF (Emission and Climate Impact of Alternative Fuels) widmen. "Im Rahmen von ECLIF wird der Fokus der Forschung auf verschiedene Typen von alternativen Treibstoffen liegen und es werden sowohl die Verbrennung im Triebwerk als auch die resultierenden Emissionen untersucht", sagt Dr. Patrick Le Clercq vom DLR-Institut für Verbrennungstechnik. Für 2015 sind erste Flugversuche des Projekts ECLIF mit dem A320 ATRA sowie der Falcon des DLR geplant.