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Bachelorarbeit: HEATPORT – Auswirkung des Klimawandels auf die Luftfahrt

Auf den Startpisten wird es knapp

Der Planet wird wärmer, der Klimawandel schreitet voran. Das geht auch an der Luftfahrt nicht spurlos vorbei. Sophie Jochems und Manuel Nauer haben sich darum in ihrer Aviatik-Bachelorarbeit mit der Frage beschäftigt, was die stetig steigenden Temperaturen für einzelne Flughäfen bedeuten.

Manuel Nauer und Sophie Jochems sind sich sicher, dass die Fluggesellschaften das Thema angehen müssen: Die Pistenlängen reichen irgendwann nicht mehr aus zum Starten.

Mit dem Wandel des Klimas ändern sich auch die Bedingungen für die Luftfahrt. Wenn die Temperatur nämlich steigt, während der Luftdruck unverändert bleibt, dehnt sich die Luft aus. Damit sinkt die Luftdichte und der Flugzeugflügel generiert einen geringeren Auftrieb. Um trotzdem abheben zu können, braucht das Flugzeug eine längere Startstrecke – aber die vorhandenen Pisten reichen dazu nicht auf allen Flughäfen aus. Um die Entwicklung abzuschätzen, haben Sophie Jochems und Manuel Nauer zum Abschluss ihres Aviatikstudiums zwei Dinge entwickelt: neuronale Netzwerke für genaue, lokale Temperaturprognosen und ein Wirtschaftstool für die Kostenberechnung. 

Lokale Prognosen verbessern

So ist ein neuronales Netzwerk (NN) aufgebaut: Input-Werte werden ins selbstlernende Netz eingespeist (blau), wo sie dann in verborgenen Ebenen verarbeitet werden (orange) und eine oder mehrere Zielvariablen ausgeben (grün).

«Wir wollten die finanziellen Folgen der Entwicklung für die Fluggesellschaften abschätzen und die globalen Klimamodelle mithilfe von neuronalen Netzwerken auf die lokalen Gegebenheiten an Flughäfen herunterskalieren, um bessere Prognosen zu erhalten», sagt Sophie Jochems. Die Temperaturvorhersagen gängiger Klimamodelle sind sehr allgemein. Um zumindest geografisch zielgenauere Prognosen zu erhalten, entwickelten die Absolventin und der Absolvent drei verschieden trainierte neuronale Netzwerke, mit denen sie die täglichen Höchsttemperaturen auf den Flughäfen Nizza, Dallas und Delhi prognostizierten. Neuronale Netzwerke sind eine Form künstlicher Intelligenz und lernen selbst dazu, was die Ergebnisse verbessert. Basierend auf diesen Prognosen konnten die Startstrecken für unterschiedliche Flugzeugtypen berechnet werden. Dabei zeigte sich, dass insbesondere Nizza bald von operationellen Einschränkungen betroffen sein könnte. 

«Das Ausmass der Kosten aufgrund der höheren Temperaturen hat uns ziemlich beeindruckt.»

Sophie Jochems

Schlechte Aussichten für den Flughafen Nizza

«Nizza hat das Problem, dass die Startpisten relativ kurz sind und es aufgrund der geografischen Lage des Flughafens kaum die Möglichkeit gibt, die Pisten zu verlängern», erklärt Manuel Nauer. Schon heute habe der Flughafen mit Einschränkungen zu kämpfen. Diese werden mit der klimatischen Entwicklung zunehmen. «Irgendwann kann in Nizza nicht mehr wie bisher gestartet werden», sagt Sophie Jochems. Das wird sich auch auf die Finanzen auswirken. Mit dem eigens entwickelten Betriebswirtschaftstool lassen sich die Kosten abschätzen, die aufgrund der höheren Temperaturen auf die Airlines zukommen werden: «Wenn Kurzstreckenflüge annulliert werden müssen, kostet das zirka 100'000 Dollar. Es gibt auch die Möglichkeit, die Fracht zu reduzieren, um die nötige Startstrecke zu verkürzen. Dabei entstehen Kosten zwischen 2'000 und 13'000 Dollar», so Manuel Nauer. Sollten Langstreckenflüge von solchen Massnahmen betroffen sein, entstünden pro Flug Kosten zwischen 45'000 und 172'000 Dollar beim Reduzieren von Fracht oder 500'000 Dollar bei einer Annullation. «Das Ausmass dieser Kosten hat uns ziemlich beeindruckt», sagt Sophie Jochems.

Neuronale Netzwerke erfolgreich eingesetzt

Um das neuronale Netzwerk (NN) zu kalibrieren, wurden die prognostizierten Temperaturen (blau) mit den gemessenen Temperaturen verglichen, hier zum Beispiel in Dallas.

Auch auf die beiden anderen untersuchten Flughäfen Dallas und Delhi werden früher oder später Probleme zukommen. Sie sind allerdings mit wesentlich längeren Pisten ausgestattet, wodurch sie nicht unmittelbar von den steigenden Temperaturen betroffen sind. Sophie Jochems betont, dass sowohl die Klimaprognosen als auch die Kostenschätzungen mit Vorsicht zu geniessen seien: «Für die Klimaprognosen haben wir den Zeithorizont der gängigen Modelle übernommen; sie projizieren bis Ende 2100. Darum sind sie nicht vollkommen zuverlässig.» Und auch die berechneten Kosten seien bloss Schätzungen. «Die Zahlen beinhalten beispielsweise keine Reputationsschäden oder langfristigen Folgen.» Dennoch: Die Ergebnisse ihrer Arbeit dienen als Anhaltspunkt für den Umgang mit der Problematik. «Wir konnten bestätigen, dass sich neuronale Netzwerke für die Parametrisierung von Temperaturprognosen eignen. Man kann mit ihrer Hilfe also gute lokale Prognosen erstellen.»

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