Flugzeuggetragene Messungen der Eisnukleation in Kondensstreifen aus modernen, niedrig-emittierenden Luftfahrttriebwerken und nachhaltigen Treibstoffen - das ECOCON Experiment

• Antragstellerinnen: Dr. Tiziana Bräuer; Professorin Dr. Christiane Voigt
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre ; Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 510826369

Wir beabsichtigen junge Kondensstreifen aus der Verbrennung von nachhaltigen Luftfahrttreibstoffen in modernen, magerverbrennenden Triebwerken zu vermessen, um die Effekte von stark reduzierten Partikelemissionen auf die Eisnukleation in Kondensstreifen und ihrer Klimawirkung zu untersuchen. Kondensstreifen haben den größten klimawirksamen Effekt von allen Luftfahrtemissionen. In Kondensstreifen formen sich Eiskristalle durch die heterogene Nukleation auf emittierten Triebwerkspartikeln. Die nicht-flüchtigen Rußpartikel machen auf Grund ihrer relativ großen Partikeldurchmesser den größten Anteil an Kondensationskeimen für Eiskristalle in Kondensstreifen aus. Moderne Rußemissionslevel liegen oberhalb von 10^14 Partikeln pro kg verbranntem Treibstoff. In diesen Größenordnungen spielen andere emittierte Partikel nur eine untergeordnete Rolle im Eisnukleationsprozess. Allerdings könnten die Rußemissionslevel durch den Einsatz moderner Triebwerkstechnologien und nachhaltiger Treibstoffe in Zukunft sinken. Bodenmessungen haben gezeigt, dass Magerverbrennungstriebwerke zu einer Reduzierung der Rußemissionen um zwei bis drei Größenordnungen führen, wobei die totalen Partikelemissionen jedoch ansteigen. Direkte Messungen unter Reiseflugbedingungen sind nötig um diese Emissionslevel für unterschiedliche Treibstoffe zu überprüfen und auch die Auswirkungen auf die atmosphärische Strahlungsbilanz abzuschätzen. Wir möchten die Frage beantworten, ob andere Kondensationskeime als die Rußpartikel zukünftig eine Rolle bei der Eisnukleation in Kondensstreifen spielen werden. Dazu gehört zum Beispiel die Ionen- unterstützte Nukleation auf ultra-feinen löslichen Partikeln. Wir werden untersuchen, bei welchen Emissionsleveln und Umgebungstemperaturen, die Eisnukleation auf flüchtigen und ambienten Partikeln zum Tragen kommt. Dazu werden wir flugzeuggetragene Abgasstrahlmessungen durchführen. Das geplante Experiment wird von der NASA geleitet und konzentriert sich auf Kondensstreifenbildung aus magerverbrennenden Triebwerken. Als Messplattform dient das Forschungsflugzeug DC-8 der NASA. Wir werden dazu beitragen, indem wir Eiskristalle in Kondensstreifen mit einer Fast Forward Spectrometer Probe (FFSSP) und dem Cloud Aerosol and Precipitation Spectrometer (CAPS) messen. Mit einer Kombination aus der Magerverbrennungstechnologie und 100% nachhaltigen Treibstoffen erwarten wir Rußemissionslevel unterhalb von 10^14 Partikeln pro kg verbranntem Treibstoff. Das gibt uns die Möglichkeit, die Aktivierung von flüchtigen emittierten Partikeln und ihren Beitrag zur Eisnukleation zu untersuchen. Außerdem planen wir Vergleiche mit dem Kondensstreifenvorhersagemodel CoCiP. Des Weiteren werden wir den Strahlungsantrieb und den Energieantrieb der Kondensstreifen aus reduzierten Partikelemissionen bestimmen. Unsere Ergebnisse werden zur Entwicklung eines klimafreundlicheren Luftverkehrs in der Zukunft beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Dr. Richard Moore