Vulkanasche und Flugverkehr: Nicht auf Sand bauen

Vulkanasche ist für Flugzeuge gefährlich, da sie Düsentriebwerke, aber auch andere Flugzeugteile massiv beschädigen kann. Deshalb führte der Ausbruch des isländischen Vulkans Eyjafjallajökull im Jahr 2010 zu Luftraumsperrungen, die den Flugverkehr großräumig lahm legten und erhebliche wirtschaftliche Schäden nach sich zogen.

„Die Schäden an den Triebwerken entstehen vor allem durch die Ablagerung geschmolzener Asche“, sagt Professor Donald Dingwell, Direktor des Departments für Geo- und Umweltwissenschaften. „Die Luftraumsperrungen waren auch deshalb so umfangreich, weil es noch keine ausreichenden Erkenntnisse zum Schmelzverhalten von Vulkanasche in Triebwerken gibt.“

Dingwell hat mit seinem Team nun gezeigt, dass die chemische Zusammensetzung der Asche dabei eine Rolle spielt – und dass Tests mit Sand oder Staubpartikeln die Auswirkungen von Vulkanasche auf Triebwerke nicht korrekt widerspiegeln. Mithilfe ihrer Ergebnisse, über die sie in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Nature Communications berichten, haben die Vulkanologen ein Modell entwickelt, mit dem sich das Risiko besser abschätzen lässt.

In Düsentriebwerken herrschen Temperaturen von 1200°C bis zu 2000°C. Unter solchen Bedingungen schmilzt Vulkanasche und lagert sich auf den heißen Bauteilen der Flugzeugturbine ab. Dadurch verstopfen unter anderem Kraftstoffdüsen und Kühlluftbohrungen, außerdem besteht die Gefahr, dass die Aschepartikel in die Hitzeschutzschicht der Turbine eindringen und dort erheblichen Schaden anrichten.

„Bisher gibt es nur veraltete Tests, bei denen die Haltbarkeit von Turbinen gegenüber Partikeln in der Luft mithilfe von Sand untersucht wurde“, sagt Dingwell. „Vulkanische Asche unterscheidet sich chemisch aber deutlich von Sand. Zusätzlich kann ihre chemische Zusammensetzung auch noch sehr stark variieren, je nachdem, von welchem Vulkan sie stammt.“

Asche schmilzt beim Erhitzen generell früher als Sand

Darum haben die Forscher nun erstmals das Schmelzverhalten von Vulkanaschen systematisch untersucht. Dazu erhitzten sie Ascheproben von insgesamt neun Vulkanen auf bis zu 1650°C und simulierten so Temperaturen, wie sie an unterschiedlichen Stellen in Triebwerken herrschen können. Dabei zeigte sich, dass die Schmelztemperatur von vulkanischer Asche von deren chemischer Zusammensatzung abhängt: Die Asche schmilzt umso früher, je mehr basische Oxide sie enthält.

„Mithilfe unserer Daten konnten wir ein empirisches Modell entwickeln, das das Schmelzverhalten der Asche in Abhängigkeit von ihrer chemischer Zusammensetzung und von der Erhitzungsrate beschreibt“, sagt Dingwell. „Außerdem haben wir frühere Ergebnisse bestätigt, dass Asche generell bereits bei deutlich niedrigeren Temperaturen schmilzt als Staub oder Sand – sich also auch schneller auf den heißen Bauteilen ablagert.“ Die Wissenschaftler sind daher der Überzeugung, dass Experimente mit Sand nicht geeignet sind, um die Wirkung von Vulkanasche auf Turbinen zu untersuchen, da sie das Ausmaß der Schädigung unterschätzen.

„Mit unserem Modell liefern wir die Basis, die Ablagerung von Vulkanasche in Triebwerken zukünftig besser einzuschätzen”, sagt Dingwell. Als nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler die Datengrundlage verbreitern und so das Modell weiter verbessern. Ein weiteres Ziel ist es, Triebwerke durch die Entwicklung von „ablagerungs-abweisenden“ Oberflächen weniger anfällig zu machen.
Nature Communications 2016

Publikation:
Volcanic ash melting under conditions relevant to ash turbine interactions
Wenjia Song, Yan Lavalleé, Kai-Uwe Hess, Ulrich Kueppers, Corrado Cimarelli & Donald B. Dingwell
Nature Communications 2016
http://www.nature.com/ncomms/2016/160302/ncomms10795/full/ncomms10795.html

Kontakt:
Prof. Dr. D. B. Dingwell
dingwell@lmu.de
Telefon: +49 (0) 89 / 2180-4136
Fax: +49 (0)89 / 2180-4176
http://www.mineralogie.geowissenschaften.uni-muenchen.de/personen/head/dingwell/…