So soll das Flugzeug CO2-neutral werden
Die Luftfahrt soll und muss CO2-neutral werden – aufs Fliegen zu verzichten, ist für viele keine Option. Forschende arbeiten an modernen Flugzeug-Lösungen: Allmählich kristallisieren sich vielversprechende Modelle heraus.
Ein sogenanntes Evtol-Flugzeug, das senkrecht starten und landen kann uns als Flugtaxi geeignet ist.
Foto: Panthermedia.net
In Schweden hat es angefangen. 2018 kam dort der Neologismus „flygskam“ auf und schwappte übersetzt als Flugscham auch nach Deutschland: Plötzlich war es irgendwie peinlich, zu fliegen. Wegen der Sache mit dem Klima. Allerdings: Die potentielle Möglichkeit für jeden, die Welt zu entdecken und den Horizont nachhaltig erweitern zu können, ist nicht weniger, als eine zivilisatorische Errungenschaft, die durchs Fliegen erreicht wurde. Der Mensch bekommt eine bessere Ahnung davon, wie die Welt funktioniert, wenn er sie sich anschaut. Aufs Fliegen zu verzichten, und den eigenen Bewegungsradius auf wenige hundert Kilometer um den Lebensmittelpunkt herum zu beschränken, ist für viele indes keine Option.
Nur: Fliegen ist umweltschädlich. Auch wenn der weltweite Flugverkehr mit knapp 3% nur einen vergleichsweise kleinen Anteil am weltweiten CO2-Ausstoß hat, beeinflusst er die Umwelt klar negativ. Zwar werden zunehmend energieeffizientere Flugzeuge eingesetzt, das ist ein erster kleiner Schritt. Doch die Luftfahrt muss langfristig CO2-neutral werden, wenn sie eine nachhaltige Zukunft haben will.
Mehrere Möglichkeiten kristallisieren sich allmählich heraus, die das Fliegen der Zukunft definieren könnten.
Flugzeug mit Elektroantrieb auf der Kurzstrecke
Mit Elektroflugzeugen in Serie könnten die Begriffe Fliegen und Klimaschutz verträglicher werden. Prototypen wie zum Beispiel den X57 Maxwell der Nasa gibt es viele. Bei Airbus heißt es, dass 2030 mit E-Flugzeugen auf der Kurzstrecke zu rechnen sei. Ein günstiger Betrieb, einfache Wartung und ein geringerer Energieverbrauch gegenüber Verbrennern sprechen für sich. Die Batterieentwicklung ist der Knackpunkt – oftmals ist der Akku noch viel zu schwer, verbraucht zu viel Platz und die Kapazität ist nicht groß genug für hohe Reichweiten. Laut Experten wird Flugzeugen mit Elektroantrieb aber der Durchbruch zumindest auf der Kurzstrecke gelingen. Für Strecken unter 800 Kilometer könnte sich dieser alternative Antrieb in naher Zukunft eignen. Rein äußerlich muss es keinen großen Unterschied zwischen kerosinangetriebenen Flugzeugen und E-Fliegern geben.
Airbus feilt bereits an City-Fliegern mit Elektroantrieb. Ende Juli verlief ein letzter Testflug erfolgreich. Das Flugtaxi soll in Zukunft in Großstädten für eine emissionsfreie Mobilität sorgen. „NextGen“ nennt sich das Modell mit festen Tragflächen, acht einzelnen Propellern und einem E-Motor. Vier Personen können bis zu 80 Kilometer fliegen bei einer Reisegeschwindigkeit von 120 km/h – die Anzahl der Passagiere ist also begrenzt, für den Reise-Alltag ist das Modell vorerst nur bedingt tauglich.
Elektroantriebe können auch älteren Flugzeugkonzepten zu einem Comeback verhelfen – dem Propellerflugzeug zum Beispiel. Tim Wittmann vom Institut für Flugantriebe und Strömungsmaschinen an der TU Braunschweig erklärt wieso. Ob eine Brennstoffzelle oder Gasturbine im Rumpf verbaut mit zwei Elektromotoren am Flügel – von außen betrachtet sehen Fluggäste keinen Unterschied. Doch auch hier sind noch lange nicht alle Herausforderungen gemeistert. “Die Kühlung des Elektromotors stellt immer noch ein Problem dar”, sagt Wittmann im Podcast. Worauf es noch ankommt und wo die E-Propellerflugzeuge heute stehen, hören Sie hier:
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Wasserstoff mit Brennstoffzellen oder Batterie
Grundsätzlich arbeiten Forschende an zwei verschiedenen Möglichkeiten für den Antrieb von Elektro-Flugzeugen: Per Batterie oder per Wasserstoffantrieb mit Brennstoffzellen. Der Wasserstoff wird dabei indirekt genutzt. Aus dem Wasserstoff wird Strom gewonnen, der Elektromotoren antreibt. Es entstehen keine Abgase, nur Wasserdampf.
Rolls Royce will schnellstes E-Flugzeug
Batterien haben einen entscheidenden Nachteil: Die Reichweite ist noch sehr stark begrenzt und die Akkus für ein Flugzeug sind sehr schwer.
Fossilen Flugzeug-Kraftstoff ersetzen: Power to Liquid
Bis es massenhaft Flugzeuge mit elektrischem Antrieb geben kann, dürfte noch viel Zeit vergehen – erst recht, was längere Flugstrecken betrifft. Die Zeiträume für die Entwicklung neuer Technologien inklusive aller Zulassungsverfahren sind beim Flugzeugbau zudem größer als in anderen Bereichen wie etwa der Automobilwirtschaft.
Tag der Deutschen Luft- und Raumfahrtregionen diskutiert alternative Antriebe
An nachhaltigen und überzeugenden Lösungen für Elektromotoren und alternative Antriebe forschen Luftfahrtingenieure und -ingenieurinnen seit Jahren. Wie die Zukunft des Luftverkehrs aussieht, erörterten Experten aus Forschung, Wirtschaft und Politik beim 15. Tag der Deutschen Luft- und Raumfahrtregionen Ende September in Aachen. Ingenieur.de war vor Ort, um über die aktuellen Entwicklungen zu berichten. Alternative Antriebe für eine klimaneutrale Luftfahrt spielten eine zentrale Rolle.
Ein Weg, der kurzfristiger umsetzbar wäre: strombasierter Kraftstoff, der im „Power-to-Liquid“-Verfahren gewonnen wird. Die Idee: Aus grünem Strom, Wasser und CO2 wird synthetischer Kraftstoff hergestellt. Dazu wird CO2 aus der Atmosphäre gezogen und mit Wasserstoff zu einem synthetischen Rohöl verbunden. Das wiederum wird zu Kerosin raffiniert. Theoretisch sind die Emissionsmengen, die ein damit betanktes Flugzeug dann ausstößt, so groß wie die zuvor entzogenen Mengen – das Flugzeug fliegt also CO2-neutral.
- Der Vorteil: Flugzeuge müssten nicht umgebaut werden, um den synthetischen Kraftstoff zu nutzen. Das Modell könnte schnell umgesetzt werden.
- Aber: Der Ausstoß von CO2 hat in großen Höhen eine andere Qualität als am Boden, diesen Effekt hebt das Modell nicht auf. Der ausgestoßene Wasserdampf (als Kondensstreifen sichtbar) kann in Flughöhe zur Kondensation Wasserdampf führen, der bereits in der Atmosphäre ist. Dadurch wiederum kann es je nach Wetterlage zu einer verstärkten Wolkenbildung kommen, die das Klima beeinflusst.
Weniger Eiskristalle an Kondensstreifen
Forschende arbeiten hier bereits an Lösungsansätzen: Studien zufolge verursachen Kondensstreifen noch vor dem CO2-Ausstoß den größten Anteil zur Klimaerwärmung durch die Luftfahrt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben gemeinsam mit der US-Raumfahrtbehörde Nasa herausgefunden, wie sich die Klimawirkung von Kondensstreifen verringern lässt: Mit Mischungen aus Kerosin und nachhaltigen Kraftstoffen (SAF).
Gemeint sind Kraftstoffe ohne Erdöl, die aus regenerativen Quellen gewonnen werden könne, also auf Basis von Pflanzen oder Abfällen produziert werden. Denkbar sind eben aber auch E-Fuels, die aus grünem Wasserstoff synthetisiert werden. Die Forschenden konnten mit Mischungen aus Kerosin und nachhaltigem Bio-Kraftstoff HEFA (Hydroprocessed Esters and Fatty Acids) die Zahl an Eiskristallen in Kondensstreifen halbieren, was zu einer Reduktion der Klimawirkung um bis zu 30 Prozent führte.
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“Wir konnten bei den gemeinsamen Flugversuchen des DLR und der NASA 2018 eindeutig nachweisen, dass weniger Rußpartikel durch nachhaltige Kraftstoffe in den Abgasen weniger Eiskristalle in Kondensstreifen zur Folge haben. Dazu sind die Eiskristalle im Mittel etwas größer”, so Christiane Voigt vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre in Oberpfaffenhofen.
Wasserstoff in einem Flugzeug mit Verbrennungsantrieb
Mit Wasserstoff abheben, aber ohne Elektromotor – ein weiterer alternativer Antrieb für die Luftfahrt. 2030 soll auch hier das erste Airbus-Flugzeug mit Wasserstoff-Betankung abheben. 2035 soll dann ein marktreifes Passagierflugzeug entwickelt sein. Bei der Verbrennung von Wasserstoff entstehen Stickoxide und Wasserdampf. Welche Klimawirkungen sich daraus im Vergleich zu anderen alternativen Antrieben ergeben, untersuchen Ingenieure und Ingenieurinnen unter anderem bei MTU Aero Engines AG. „Den technischen Aufwand, heutige Triebwerke so umzurüsten, dass sie mit Wasserstoff funktionieren, halten wir für moderat“, sagt Dominik Wirth, MTU-Experte. Vorteilhaft sei, dass bei der Wasserstoffverbrennung weniger Aerosole als in herkömmlichen Triebwerken entstehen. Um lediglich Wasserdampf auszustoßen, kann eine Brennstoffzelle mit integriert werden. Der Wasserstoff wird auf diese Weise indirekt genutzt.
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Von Nachteil sind die relativ großen und schweren Tanks für einen Wasserstoffantrieb. Wasserstoff benötigt ein sehr großes Volumen – und das ist in Flugzeugen schwer unterzubringen.
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