Luft- und Raumfahrt Projekt Blue Condor erforscht Kondensstreifen aus Wasserstoffdirektverbrennung

Wasserstoffbetriebene Flugzeuge sollen nicht nur den CO₂-Ausstoß minimieren, sondern sich auch positiv auf die Klimawirkung von Kondensstreifen auswirken. Allerdings gab es bisher kaum Erkenntnisse zu Kondensstreifen aus der Wasserstoffdirektverbrennung. Im Projekt Blue Condor haben Airbus, Perlan und das DLR nun Kondensstreifen eines Wasserstoffturbojettriebwerks im Flug vermessen.

Kondensstreifen, die in der oberen Troposphäre entstehen, wenn die Luft kalt und feucht ist, haben einen wesentlichen Anteil an der Klimawirkung des Luftverkehrs. Alternative Antriebstechnologien wie wasserstoffbetriebene Flugzeuge sollen zum einen die CO2-Emissionen reduzieren und zum anderen Klimawirkung von Kondensstreifen optimieren. Bisher gab es jedoch keine Messungen aus Flugversuchen, um die Bildung, Eigenschaften und Auswirkungen von Kondensstreifen aus einer Wasserstoffdirektverbrennung zu charakterisieren. Im Projekt Blue Condor haben Airbus, Perlan und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) nun Kondensstreifen eines Wasserstoffturbojettriebwerks im Flug vermessen. Die dreiwöchige Flugversuchskampagne fand im Dezember 2024 in US-amerikanischen Minden in Nevada statt. Das DLR stattete ein Verfolgungsflugzeug mit Instrumenten für Kondensstreifen- und Emissionsmessungen aus und betrieb diese autonom auf Reiseflughöhe.

Vorgehensweise

Das Herzstück der Blue-Condor-Mission ist ein Arcus-Segelflugzeug. Dieses wurde von Airbus und dem Perlan-Team so modifiziert, dass es einen Tank für gasförmigen Wasserstoff, ein Schmierölsystem und ein wasserstoffbetriebenes Turbojettriebwerk aufnehmen kann. Das Triebwerk hat AeroDesignWorks zusammen mit der RWTH Aachen entwickelt. Ein zweites Arcus-Flugzeug, das von Perlan betrieben wurde, war mit einem herkömmlichen Kerosintriebwerk ausgestattet. Beide Segelflugzeuge wurden gleichzeitig von einer Grob Egrett, einem Höhenforschungsflugzeug der Firma AV Experts, auf über neun Kilometer Höhe geschleppt – also genau der Höhe, wo sich aller Voraussicht nach Kondensstreifen bilden. Dort wurden beide Segelflugzeuge aus dem Schlepptau gelassen und das Schleppflugzeug mit den Messinstrumenten ließ sich hinter die Segelflieger zurückfallen.

Der Blue Condor Segler zündete das Wasserstofftriebwerk. Der Verfolgungsflug der Egrett im Abgasstrahl begann mit der Messung von Emissionen und Kondensstreifen des Blue-Condor-Segelflugzeugs. Das zusätzliche kerosinbetriebene Segelflugzeug blieb mit gezündetem Triebwerk in enger Formation. Um die Vergleichbarkeit der Emissions-Daten zu gewährleisten, wurden die jeweiligen Verfolgungsformationen unmittelbar nacheinander in denselben meteorologischen Bedingungen durchgeführt. Die eigentliche Messphase unter Nutzung der Hilfstriebwerke dauerte nach Aussagen der Projektbeteiligten jeweils rund fünf bis zehn Minuten.

Mikrophysikalischen Eigenschaften erforschen

Von insgesamt sieben Testflügen bildeten sich bei vier Flügen Kondensstreifen des Wasserstofftriebwerks. Ziel der Untersuchungen war es, die mikrophysikalischen Eigenschaften der Kondensstreifen aus Wasserstoffdirektverbrennung unter realen atmosphärischen Bedingungen zu vermessen, wie das DLR erklärte. Eine wichtige Rolle für die Klimawirkung der Kondensstreifen spielt die initiale Eiskristallanzahl aber auch die Größe der Eiskristalle, die sich im Abgasstrahl bilden. Emissionsmessungen zu Stickoxiden und Aerosol-Partikelbildung im Abgas führte man auch unterhalb der Bildungsregion von Kondensstreifen durch. Triebwerkstestläufe am Boden lieferten zusätzliche Informationen über die Emissionen des Wasserstofftriebwerks bei verschiedenen Leistungseinstellungen. Die Daten werten die Projektpartner derzeit detailliert aus.

Unterschiede zu Kondensstreifen aus der Kerosinverbrennung

Kondensstreifen von Wasserstoffverbrennungsmotoren bilden sich im Vergleich zu ihren Pendants aus der Kerosinverbrennung aufgrund der höheren Wasserdampfemissionen bereits bei höheren Temperaturen und in geringerer Höhe in der Atmosphäre. Im Gegensatz zu konventionellen Triebwerken, die bei der Kerosinverbrennung Ruß und flüchtige Partikel als Keime für die Eiskristalle der Kondensstreifen ausstoßen, ist das Abgas eines Wasserstoffverbrennungsmotors im Idealfall frei von Partikelemissionen. Wenn das Triebwerk ohne Verunreinigungen – beispielsweise durch Schmieröltröpfchen – betrieben wird, dienen theoretisch die Aerosolpartikel der Umgebungsatmosphäre als Nukleationskeime für die Eiskristalle im Abgasstrahl des Flugzeugs. Modellsimulationen verdeutlichen, dass sich durch die niedrige Konzentration an Umgebungsaerosol potenziell weniger und größere Eiskristalle im Nachlauf des Wasserstofftriebwerks bilden. Das kann die Lebensdauer des Kondensstreifens und seine wärmende Wirkung minimieren. Allerdings ist eine Validierung dieser Modelle noch nicht erfolgt. Hier muss man die umfassende Auswertung der Flugversuche abzuwarten.

Modifizierte Messtechnik

Die auf der Egrett integrierten Instrumente lieferte das DLR-Institut für Physik der Atmosphäre. Mit diesen wurden Eiskristall-, Aerosol- und Spurengasmessungen durchgeführt. Alle Instrumente wurden modifiziert und an die Kabine der Egrett angepasst. Weitere durchgeführte Modifikationen am Flugzeug waren die Rumpferweiterung, um die Integration des Stickoxid-Messgeräts „Sioux“ zu ermöglichen. Streulichtspektrometer und spezifische Spurengaseinlässe wurden am Fahrwerk angebracht. Die Forscher betrieben die Instrumente autonom, erfassten die Daten per Iridium-Downlink am Boden und lotsten den Piloten der Egrett per Funk in die optimalen Messpositionen im Kondensstreifen.

Mit den vollständig ausgewerteten Daten des Projekts Blue Condor sind sich die Partner sicher, wird es zukünftig möglich sein, die Klimawirkung der Kondensstreifen einer potenziell mit Wasserstoff betriebenen Flotte mit globalen Modellen zu erforschen.  (se)

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