Chemische Zusammensetzung von Flugzeugabgaspartikeln untersucht

Lässt sich der Schadstoffausstoß von Flugzeugen durch den Einsatz von Biokraftstoffen verringern? Und welchen Einfluss hat eine alternative Tankfüllung auf die Bildung von Kondensstreifen?

Diesen Fragen ging Mitte Januar ein gemeinsames Forschungsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der US-amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Chemie und des Instituts für Physik der Atmosphäre der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) nach. Drei Wochen lang starteten die Wissenschaftler von der US-Air Base im pfälzischen Ramstein aus zu insgesamt acht Testflügen in verschiedenen Flughöhen und mit variabler Schubkraft fliegend.

Um die Untersuchungen durchzuführen, waren zwei Flugzeuge nötig: Während der Airbus A320-ATRA des DLR für jeden Testflug mit einer anderen Kerosinmischung betankt wurde und in den Himmel über Deutschland abhob, folgte ihr das „Fliegende Labor“ der NASA, eine DC-8, in einigen Kilometern Abstand hinterher und „tauchte“ in ihre Abgasfahne ein. An Bord der DC-8 befanden sich insgesamt 14 Messinstrumente, die während der Flüge unentwegt Daten sammelten.

Darunter auch ERICA (ERc Instument for the Chemical composition of Aerosols) vom Max-Planck-Institut für Chemie und der JGU. „ERICA ist ein weltweit einmaliges Massenspektrometer für Aerosolteilchen, das in Mainz entwickelt und gebaut wurde“, erklärt MPIC-Direktor Stephan Borrmann, der auch Professor am Institut für Physik der Atmosphäre der JGU ist.

„Wir haben als einzige ein Instrument an Bord, das die chemische Zusammensetzung einzelner Partikel untersuchen kann. Sowohl in den Abgasen selbst als auch im Inneren der Eiskristalle, die die Kondensstreifen bilden“, erklärt Postdoc Oliver Appel, der zusammen mit Andreas Hünig, Sergej Molleker und Antonis Dragoneas aus der Abteilung Partikelchemie das Gerät an Bord des Flugzeugs betreibt. Jeweils zwei von ihnen begleiteten immer die Messflüge.

Im Inneren von ERICA werden kleinste Staub- und Rußpartikel – sogenannte Aerosole – entweder durch Laserbeschuss oder durch schnelle Erhitzung verdampft. Das dabei freigesetzte gasförmige Material wird in elektrisch geladene Ionen umgewandelt, deren Massen mit Hilfe eines Massenspektrometers gemessen werden können. So erhalten die Wissenschaftler direkte Informationen über die chemische Zusammensetzung einzelner Teilchen des Feinstaubs in der Atmosphäre.

ERICA war zum ersten Mal im Sommer vergangenen Jahres auf einem russischen Höhenforschungsflugzeug bis in 20 Kilometer Höhe in Nepal im Einsatz (siehe Pressemeldung „Flüge ins Unbekannte – Mit dem Höhenforschungsflugzeug in die oberen Stockwerke des asiatischen Monsuns“). Die Möglichkeit für die Teilnahme an der DC-8 Kampagne kam sehr kurzfristig.

„Es war eine große Herausforderung, unser Instrument in nur knapp sechs Wochen für den Einsatz in der DC-8 zu modifizieren und eine luftfahrttechnische Zulassungsgenehmigung zu bekommen, um es schließlich im Flugzeug der NASA einbauen zu dürfen. Aber wir wollten unbedingt an dieser Messkampagne teilnehmen, weil eine solche Einladung von Seiten der NASA durchaus eine hohe Wertschätzung für unsere Messtechnik bedeutet“, betont Postdoc Antonis Dragoneas, der maßgeblich den Umbau vorangetrieben hatte.

Ziel: Luft sauberer machen

Für die Testflüge wurde dem standardmäßig verwendeten Kerosin das Öl des Leindotters beigemischt. NASA und DLR forschen schon seit einiger Zeit daran, ob sich mithilfe eines solchen Biosprits das Fliegen umweltfreundlicher gestalten lässt. Erste Ergebnisse vorangegangener Studien zeigten bereits, dass sich bei einem Mischungsverhältnis von 50 Prozent Biokraftstoff mit 50 Prozent normalem Kerosin zwischen 50 bis 70 Prozent weniger Rußpartikel bilden.

„Uns interessiert die chemische Zusammensetzung der Abgaspartikel, unter anderem weil wir wissen wollen, wie viele Rußpartikel in dem Abgas sind, wie viele metallhaltige Partikel, ob sie mit kondensierbaren Materialien beschichtet sind, und wie die Partikel sich bei der Kondensstreifenbildung verändern“, erklärt Postdoc Sergej Molleker aus der Abteilung Partikelchemie des MPI für Chemie.

In acht Kilometern Höhe bilden sich bei -50 Grad Celsius aus Rußpartikeln und Wasserdampf Eiskristalle, die als sogenannte Kondensstreifen am Himmel zu sehen sind. Die Eiskristalle tragen unter anderem dazu bei, dass weniger Wärme von der Erde in den Weltraum abgeben werden kann, sodass jeder Kondensstreifen einen kleinen Treibhauseffekt besitzt.

„Wenn wir einen Weg finden, die Rußpartikel im Abgas der Flugzeuge zu verringern, könnte der klimaerwärmende Effekt durch neue Treibstoffmischungen reduziert werden“, so Stephan Borrmann. „Außerdem haben wir hier die Gelegenheit, seltene und wertvolle Messungen zu den natürlichen Schleierwolken (Cirren) in diesem Höhenbereich durchzuführen, deren Eigenschaften und Auswirkungen ebenfalls eines der zentralen Themen der Forschung sind.“

Mit ersten Ergebnissen aus den Messflüge von Ramstein aus rechnen die Mainzer Forscher frühestens in zwei Monaten.

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