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School of Engineering

Das Emissionsverhalten älterer Flugzeuge im Blick

Im Gegensatz zu neueren Triebwerken, die strenge Grenzwerte erfüllen müssen, sind die Nicht-CO2-Emissionen bei älteren Flugzeugen bislang nur unzureichend untersucht worden. Die Projekte AGEAIR I und II des Zentrums für Aviatik (ZAV) an der ZHAW analysieren erstmals mithilfe eines schweizweit einzigartigen Messsystems umfassend das Abgasverhalten älterer Triebwerke.

Blick in den Triebwerk-Prüfstand von SR Technics am Flughafen Zürich. Die rote Abgassonde (oben rechts im Bild), mit welcher ZHAW Forschende die Emissionen der Triebwerke messen, wird während des Prüfvorgangs direkt hinter das Triebwerk positioniert.

Flugzeuge stossen neben CO2 auch eine Vielzahl von Nicht-CO2-Emissionen wie Wasserdampf, Stickoxide (NOx), Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe, Schwefeldioxid aber auch primären (nicht flüchtigen) Feinstaub (non-volatile particulate matter, nvPM), wie etwa Russpartikel, aus. Die Zusammensetzung dieser Emissionen und deren Auswirkungen auf die Umwelt spielten bislang bei Flugzeugtriebwerken keine bedeutende Rolle, da die Messungen aufwendig, teuer und die Emissionen schwierig zu quantifizieren waren. Mithilfe des «Swiss Mobile Aircraft Emission Measurement System» (SMARTEMIS), eines von drei weltweit existierenden Referenz-Messsystemen für nvPM-Emissionen aus Flugzeug-Triebwerken, konnte erstmals eine sehr genaue Quantifizierung von nvPM erreicht werden, was zu einem neuen nvPM-Zertifizierungsstandard für grosse Triebwerke mit einem Schub von höher als 26,7 kN ab 2020 führte.

Der Prototyp des Messsystems SMARTEMIS wurde vom Bundesamt für Zivilluftfahrt (BAZL) gebaut und anschliessend von der Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) sowie dem Flugzeugwartungs- und Instandhaltungsunternehmen SR Technics weiterentwickelt. Das transportfähige Messsystem ist bei SR Technics am Flughafen Zürich stationiert und misst im Rahmen der ZHAW-Projekte AGEAIR I und II die Emissionen von dort geprüften Mantelstromtriebwerken. Das ZAV untersucht die Schadstoffemissionen älterer noch in Betrieb befindlicher Triebwerke, die nicht dem neuen Zertifizierungsstandard unterstehen. Damit wollen die Forschenden herausfinden, wie sich das Alter des Triebwerks auf das Emissionsverhalten der Maschine auswirkt und wieviel Feinstaub tatsächlich ausgestossen wird. Die daraus gewonnen Erkenntnisse könnte künftig dazu beitragen, die Wartung der Triebwerke entsprechend zu optimieren. Bisher existieren kaum tatsächliche Messdaten zum Emissionsverhalten älterer Maschinen. Angaben dazu basieren lediglich auf Schätzungen. «Mit dem AGEAIR-Projekt wollen wir die Bewertung von Partikel und Gasemissionen von in Betrieb befindlichen Triebwerken weiter quantifizieren, um somit die Umweltauswirkungen der Maschinen zu verbessern», erklärt Projektleiter Lukas Durdina vom ZAV. Mit der Messung mehrerer Triebwerke des gleichen Typs soll die Variabilität von Partikel- und Gasemissionen im Vergleich zu zertifizierten Emissionen neuerer Maschinen untersucht werden. «Unser Ziel ist es, die erste Version eines Triebwerkverschlechterungsmodells zu entwickeln», so Lukas Durdina. Dieses Modell soll Änderungen des Triebwerkverhaltens grosser Turbofan-Triebwerke vorhersagen können. Durch die Dokumentation der Mess-Kampagnen entsteht ausserdem eine der umfangreichsten und detailliertesten Datensammlungen zu Luftverkehrsemissionen in der aviatischen Forschung.

Was die Luftqualität an Flughäfen beeinflusst

Bei einer erst kürzlich beendeten Messkampagne am Prüfstand von SR Technics am Flughafen Zürich haben ZHAW-Forscher zusammen mit Mitarbeitenden der ETH das Verhalten von Abgasrusspartikel bei niedrigen Temperaturen, wie sie typisch in Reiseflughöhen sind, untersucht. Gleichzeitig haben Forscher des Paul Scherrer Instituts Gase und Partikel der Abgasfahne charakterisiert, die für die Luftqualität rund um Flughäfen relevant sind. Ziel ist es, herauszufinden, wie sich die Emissionen an Flughäfen, von denen in anderen urbanen Regionen unterscheiden und ob sie bei der Landung, im Leerlauf oder bei Start von Flugzeugen ausgestossen werden.