Forschungs­flüge für das Klima

Ein regnerischer Januar­morgen in Ramstein in der Pfalz. Auf der größten U.S.-Luft­waffen­basis außer­halb der USA drängen sich die riesigen, grauen C17-Trans­port­maschinen auf dem Vor­feld. Irgen­dwo da­zwi­schen stehen zwei zivile Exoten, kleiner und beinahe un­auf­fällig: eine echte Rarität, die letzte welt­weit fliegende DC-8 in der Passagier­version, das fliegende Labor der NASA, stationiert in Palmdale, Kalifornien. Und dazu die in Braun­schweig be­heimatete A320 des Deutschen Zentrums für Luft- und Raum­fahrt (DLR). Das deutsche Forschungs­flug­zeug ATRA (Advanced Technology Research Aircraft), früher im Linien­dienst bei Niki, heute im Dienst der Wissen­schaft unter­wegs, wird gerade mit 18 Tonnen Sprit betankt. Die Hälfte davon besteht aus dem Bio­kraft­stoff HEFA (Hydroprocessed Esters and Fatty Acids), gewonnen aus dem Öl der Lein­dotter­pflanze. Die Aufgabe der Forschungs­mission hier ist es nämlich, erstmals durch Mes­sungen zu belegen, dass die Bei­mengung von Bio­sprit zu her­kömm­lichem Kerosin die Klima­freund­lich­keit des Fliegens verbessert. Heute werden zum ersten Mal die Emissionen eines Kraft­stoffs mit diesem hohen Bei­mischungs­ver­hältnis von HEFA im Flug unter­sucht, im flieger­ischen Alltag ist ein deut­lich geringerer Anteil realis­tischer.

Sechs Minuten geradeaus, Links­kurve, wieder sechs Minuten geradeaus

Nach dem Start von Ramstein geht es nach Nord­deutschland, in einen eigens für den Verkehr gesperrten Luft­raum. Hier dreht der Airbus stunden­lang seine Runden, sechs Minuten geradeaus, Links­kurve, wieder sechs Minuten geradeaus, Rechts­kurve. Aber die A320 ist nicht allein unterwegs. Kurz nach der ATRA ist das wohl un­gewöhn­lichste fliegende Labor der Welt gestartet und folgt dem Airbus. Hierbei handelt es sich um ein vier­strahliges Pas­sagier­flug­zeug aus den Anfangs­tagen der Lang­strecken­jets, eine McDonnell Douglas DC-8-72. Viele europäische Air­lines wie etwa KLM, SAS und Swissair setzten zwischen den 1960er und 1980er Jahren DC-8-Jets ein. Geliefert wurde die heute Letzte ihrer Art welt­weit 1969 ur­sprüng­lich an Alitalia; seit 1986 bereits ist sie das größte Ver­suchs­flug­zeug der NASA. Damals wurde sie mit CFM56-Trieb­werken aus­gestattet, die auch heute er­staunlich leise daher­kommen. „Die DC-8 ist von der Infra­struktur und dem Know-how der Be­satzung her die beste fliegende Forschungs­platt­form welt­weit“, schwärmt Dr. Hans Schlager vom DLR-Institut für Atmo­sphären­physik. DLR und NASA instal­lierten vor der Atlantik­über­querung Instrumente für 20 Mess­ver­fahren in der 42 Meter langen Kabine, die früher über 250 Flug­gäste aufnahm, sowie außen am Rumpf. An der rechten Trag­flächen­spitze hängt ein gold­farbenes Wolken-Spektro­meter, fünf komplexe Instrumente in einem. Außerdem zielt ein Laser aus einem Kabinen­fenster auf die Trag­flächen­spitze, um den Wasser­dampf im Umfeld der Kondens­streifen und Eis­wolken zu messen.

Reduzierung der Klimaeffekte trotz steigender Luftfahrt

Die Flug­branche steht oft für ihre schäd­lichen Aus­wirkungen auf die Erd­er­wärmung am Pranger, bisher vor allem die Emission des Treib­haus­gases CO₂. Hier hat sich die Luft­fahrt ehr­geizige Ziele gesetzt: Wachs­tum soll nur noch CO₂-neutral statt­finden durch Ver­bes­serungen bei Flug­zeug, Trieb­werk, Einsatz von entsprechenden Kraft­stof­fen und Kompen­sations­maß­nahmen. Bis 2050 soll sich nach Vorgaben der UN-Luft­fahrt­or­ganisation ICAO der CO₂-Aus­stoß gegenüber dem Wert von 2005 halbieren. „Die Luft­fahrt ist für etwa fünf Prozent der menschen­ge­mach­ten Klima­effekte ver­ant­wortlich, davon entfal­len zwei Fünftel auf das CO₂, der Rest auf Stick­oxide und vor allem lang­lebige Kondens­streifen, die jetzt im Fokus stehen“, sagt Schlager. Genau an dieser Stell­schrau­be, so die Wissen­schaftler, lässt sich nämlich drehen, um den Klima­effekt des stetig wachsenden Luft­verkehrs zu verringern. Alle 15 bis 20 Jahre ver­dop­pelt sich der globale Luft­verkehr; 2017 wurde mit 4,1 Milliarden Flug­passagieren ein neuer Rekord erzielt. Bereits 2036 sollen es nach IATA-Vorhersagen 7,8 Milliarden Pas­sagiere sein. Für ihre Be­förderung muss die Luft­fahrt nach­haltiger werden.

Eine große Hoffnung für umwelt­freund­licheres Fliegen ruht auf alter­nativen Kraft­stoffen. Es hat sich bereits bei viel­fältigen Tests und im Linien­verkehr erwiesen, dass sich aus Bio­masse oder aus Pflanzen­öl ent­sprech­end den zu­gelassenen Ver­fahren her­ge­stell­ter Sprit mit her­kömm­lichem Kerosin mischen und problem­los im Flug einsetzen lässt. Das Problem ist, dass dieser nach­haltige Treib­stoff derzeit dreimal teurer ist als fossiles Flug­benzin und damit der kom­mer­zi­elle An­reiz fehlt, ihn ein­zu­setzen. „Es ist aber wichtig, jetzt, bei niedrigem Öl­preis, Daten und Methoden zu seinem Einsatz zu entwickeln, die wir dann verfügbar haben, wenn das Öl wieder teuer ist und sich der Fokus auf erneuerbare Energien richtet“, sagt Dr. Patrick Le Clerq vom DLR-Institut für Ver­brennungs­technik.

Flug in die sekundäre Zone der Kondens­streifen

Nach dem Start von Ramstein mit 14 Wissen­schaftlern und sechs Mann Besatzung an Bord ist es die Aufgabe von NASA-Pilot Wayne Ringelberg, auf Schnüffel­mission im Dienste der Klima­forschung zu gehen. „Wir müssen sehr präzise in die sekundäre Zone der Kondens­streifen 15 bis 20 Meilen hinter der ATRA hinein­fliegen und uns dabei stets mindestens zweiein­halb Meilen entfernt von der vor­aus­fliegenden A320 halten. Da kann es schon mal Turbulenzen an Bord geben“, so der ehemalige Kampf­pilot. Die Wissen­schaftler sind während der bis zu sechs­stündigen Missionen meistens ange­schnallt, Ver­ständigung ist nur über Kopf­hörer möglich. Entscheidende Vor­aus­setzung für die Missionen sind die richtigen feucht­kalten Wetter­bedingungen für das Entstehen von Kondens­streifen. Die Bedingungen sind gut, als 45 Minuten nach dem Start das Ziel­gebiet über der Ost­see­küste erreicht ist. Die DC-8 fliegt kurz neben die ATRA, um die Höhen­messer zu kalibrieren, dann setzt sie sich stunden­lang hinter den Airbus, um genau zu dokumentieren, was seine Trieb­werke aus­stoßen und welche Art Kondens­streifen sich dabei in Höhen zwischen acht und zwölf Kilo­metern bilden. Besonders klima­relevant sind die lang­lebigen, die zwischen zwei und 20 Stunden am Himmel stehen und dabei hohe Eis­wolken bilden, sogenannte Kondens­streifen-Zirren. Sie können lokal kühlende oder wärmende Wirkung am Boden entfalten; die Erwärmung überwiegt.

Bei ihrer Ent­stehung konden­sieren zunächst Wasser­tröpfchen an den Ruß­partikeln der Flug­zeug­abgase, gefrieren und werden zu Eis­partikeln. „Die Anzahl der Ruß­partikel spielt eine wichtige Rolle. Bei der Ver­brennung von Bio­sprit entsteht bis zu 50 Prozent weniger Ruß und es ändert sich damit die Anzahl und Größe der Eis­kris­talle“, erklärt Schlager. „So reduziert sich die Lebens­dauer der Kondens­streifen und sie entfalten im Mittel eine geringere Strahlungs­wirkung.“ Wenn die gesamte Luft­fahrt mit einem Kerosin­gemisch fliegen würde, das zur Hälfte aus HEFA besteht, ließen sich die Kondens­streifen-Zirren global um 30 Prozent verringern, schätzen die Forscher.

Die wichtige Rolle der lang­lebigen Kondens­streifen ist eine neue Erkenntnis der jüngsten Forschungs­arbeiten. „Sie haben vermutlich eine größere wärmende Wirkung auf die Erd­atmosphäre als alle über mehr als hundert Jahre in der Atmo­sphäre ge­sam­mel­ten CO₂-Emissionen des Luft­verkehrs zusammen“, vermutet Schlager. „Aber die genaue globale Wirkung von Kondens­streifen ist in Modellen nur schwer zu errechnen, daher sind die Messungen dieser Kampagne so wichtig“, sagt der DLR-Experte.

Bis aller­dings die Giga­bytes an gewonnenen Daten aus­gewertet sind, wird ein Jahr vergehen. Als beide Flug­zeuge auf dem Rück­flug nach Ramstein sind, gönnt sich auch mancher Wissen­schaftler an Bord einen Blick auf den Abend­himmel. Der ist heute spektakulär – vor allem dank vieler orange­rot leuch­tender Kondens­streifen.