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Magerverbrennung macht Flugzeugabgase deutlich sauberer
Sauberere Abgasfahne: Moderne LEAP-1A-Triebwerke stoßen im Magerbetrieb rund tausendmal weniger Rußpartikel aus als im erzwungenen fetten Verbrennungsmodus. Flugmessungen zeigen außerdem, dass wasserstoffreiche und schwefelarme Kraftstoffe weitere Partikelemissionen senken können. Für die Klimawirkung von Kondensstreifen reicht weniger Ruß allein jedoch nicht zwingend aus.
Oberpfaffenhofen (Deutschland). Flugzeuge beeinflussen die Umwelt nicht nur durch Kohlendioxid. Ihre Triebwerke setzen auch winzige feste und flüchtige Partikel frei, die die Luftqualität belasten und in Reiseflughöhe an der Bildung von Kondensstreifen beteiligt sein können. Wie stark moderne Brennkammern und alternative Kraftstoffe diese Partikel tatsächlich verringern, war im realen Flugbetrieb bislang nur unvollständig geklärt.
Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) um Rebecca Dischl haben deshalb Partikelemissionen moderner LEAP-1A-Triebwerke direkt im Flug vermessen. Untersucht wurden Airbus A319neo und A321neo mit konventionellem Jet A-1 sowie mehreren nachhaltigeren Testkraftstoffen. Entscheidend war dabei, dass dieselben Triebwerke sowohl im normalen Magerbetrieb als auch in einem testweise erzwungenen fetten Verbrennungsmodus liefen.
Bei der Magerverbrennung steht in der Brennkammer relativ viel Luft zur Verfügung. Dadurch entstehen weniger besonders kraftstoffreiche Zonen, in denen sich Ruß bildet. Für den Vergleich änderten die Forscher die Triebwerkssteuerung gezielt, sodass sie die Partikel bei beiden Verbrennungsarten unter möglichst ähnlichen Bedingungen erfassen konnten.
Das Forschungsflugzeug durchquerte dazu die frischen Abgasfahnen der Passagiermaschinen. Die Instrumente erfassten die Gesamtzahl von Partikeln größer als fünf Nanometer und separat nichtflüchtige Partikel größer als 14 Nanometer, die vor allem den Rußanteil abbilden. Zusätzlich verglich das Team Jet A-1 mit verschiedenen nachhaltigeren Testkraftstoffen und Kraftstoffmischungen.
Der stärkste Effekt kam von der Brennkammer: Im Magerbetrieb sank die Zahl der nichtflüchtigen Partikel um drei Größenordnungen gegenüber dem erzwungenen fetten Betrieb, was ungefähr einem Faktor von 1.000 entspricht. Bei besonders rußarmen Kombinationen aus Magerverbrennung und aromatenarmem synthetischem Kraftstoff lagen viele Messwerte allerdings bereits unter der Nachweisgrenze, wodurch die genaue Größenordnung unsicherer wird.
Der Befund bedeutet zudem nicht, dass die gesamte Partikelzahl im gleichen Maß verschwindet. Neben Ruß entstehen in der abkühlenden Abgasfahne flüchtige Partikel aus gasförmigen Vorläufern. Gerade wenn kaum noch Ruß vorhanden ist, können diese kleineren Tröpfchen einen größeren Anteil der gemessenen Teilchen ausmachen.
Auch die Kraftstoffzusammensetzung erwies sich als wichtiger Hebel. Unter fetter Verbrennung nahm die Zahl der Rußpartikel mit steigendem Wasserstoffgehalt des Kraftstoffs exponentiell ab. Die flüchtigen Partikel hingen dagegen stark vom Schwefelgehalt ab. Je schwefelärmer der Kraftstoff war, desto geringer fiel ihre Zahl aus.
Die Wirkung ist jedoch nicht allein eine Eigenschaft des Kraftstoffs, denn die Forscher fanden deutliche Unterschiede zwischen verschiedenen Triebwerksausführungen und sogar zwischen zwei LEAP-1A-Motoren desselben Typs. Solche Abweichungen zeigen, dass Brennkammergeometrie, Betriebszustand und individuelle Motoreigenschaften bei der Bewertung von Partikelemissionen mitgedacht werden müssen.
Für die Klimawirkung ist der starke Rußrückgang daher nur ein Teil der Geschichte. Eine frühere Auswertung derselben Messkampagne hatte gezeigt, dass Kondensstreifen auch bei sehr niedrigen Rußemissionen viele Eiskristalle enthalten können. Bei solchen Bedingungen gewinnen flüchtige Partikel aus Schwefelverbindungen, organischen Stoffen und Schmieröl als mögliche Keime an Bedeutung.