Derzeit forschen nicht nur die Flugzeughersteller, sondern auch zahlreiche Wissenschaftler vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) im Rahmen des Forschungsprojekts EXACT an einer Verbesserung der Umweltbilanz. Unter Leitung von Dr. Johannes Hartmann vom Institut für Systemarchitekturen in der Luftfahrt suchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nach alternativen Antrieben von Flugzeugen. Ziel ist es, in den kommenden vier Jahren Technologien zu entwickeln, die es ermöglichen, bis 2040 ökoeffiziente Passagierflugzeuge mit mindestens 70 Sitzen und einer Reichweite von 2.000 Kilometern an den Start zu bringen.

Suche nach neuen Antriebskonzepten

Die Vorteile liegen auf der Hand: Weniger Emissionen schonen das Klima, weniger Lärm freut Flughafenanwohner und wenn der Flugbetrieb dann auch noch kosteneffizient durchgeführt werden kann, haben auch die Fluggesellschaften einen Anreiz zur Umstellung auf grüne Technologien.

Hartmann erklärt, dass die Zeiten selten so spannend wie jetzt gewesen seien. Die Mittelstreckenflugzeuge der Fluggesellschaften seien mittlerweile so alt, dass sie in den nächsten zehn Jahren ausgetauscht werden müssten. "Die nächste Flugzeuggeneration wird jetzt geplant und wird die Luftfahrt für die kommenden 40 Jahre prägen", erläutert der Projektleiter.

Doch wie genau ökoeffizientes Fliegen aussehen wird, weiß zurzeit noch niemand. Deshalb hat sich das DLR für einen ergebnisoffenen Forschungsansatz entschieden. Mehrere Antriebsarten sollen parallel auf ihre Effizienz und Markttauglichkeit geprüft werden. Im Fokus stehen vier Antriebsarten und deren Kombinationen:

• Batteriebetrieb
• Wasserstoff-Brennstoffzellen
• Wasserstoff
• Synthetische Kraftstoffe

Im Rahmen des Projekts werden sowohl die Auswirkungen neuartiger Antriebe auf die Atmosphäre als auch die Wechselwirkung mit der Flughafeninfrastruktur erforscht, denn jede der in Betracht kommenden Antriebsarten hat Vor- und Nachteile.

Schwere Batterien - unkompliziertes Ladenetz

Ein rein Batterieelektrischer Antrieb hätte den Vorteil, dass die Antriebsketten von Flugzeugen sehr einfach und effizient würden. Auch der Aufbau eines Ladenetzes wäre recht unkompliziert. Die Batterien sind jedoch sehr schwer, was vor allem mit Blick auf die benötigte Reichweite von Verkehrsflugzeugen eine besondere Herausforderung für die Wissenschaftler ist.

Außerdem dauert der Ladeprozess deutlich länger als das Betanken mit Kerosin. Fluggesellschaften organisieren ihren Betrieb meist jedoch so, dass es zu möglichst kurzen Standzeiten kommt. Hartmann geht deshalb davon aus, dass batteriebetriebene Flugzeuge allenfalls als "Flugreisebusse" mit einer Reichweite von wenigen hundert Kilometern in Betracht kommen.

Mit grünem Wasserstoff abheben

Auf Wasserstoff liegen zurzeit große Hoffnungen, da bei der Verbrennung kein CO2 freigesetzt wird. Zudem ist das Gas sehr leicht und die Betankung kann schnell erfolgen. Andererseits hat Wasserstoff ein großes Volumen, sodass große Tanks erforderlich wären. "Größere Tanks hätten Auswirkungen auf die Aerodynamik, sodass Flugzeuge aufgrund des größeren Luftwiderstands sehr viel mehr Energie aufwenden müssten. Andernfalls würde sich die Fluggeschwindigkeit erheblich reduzieren", erklärt Hartmann. Längere Flugzeiten wären die Folge.

Des Weiteren wird bei der direkten Verbrennung von Wasserstoff Wasserdampf freigesetzt, der ab einer gewissen Flughöhe zu einer Vermehrung von Kondensstreifen am Himmel führt. Auch hier soll erforscht werden, welche Auswirkungen dies auf das Klima hat. Wird Wasserstoff dagegen in einer Brennstoffzelle verbrannt, kann das Wasser aufgefangen werden.

Ein weiteres Problem während der Übergangsphase zu komplett grünem Wasserstoff bei der Herstellung ist, dass aktuell noch auf fossile Brennstoffe zurückgegriffen wird. Hier setzt die Bundesregierung jedoch mit ihrer Nationalen Wasserstoffstrategie an. Künftig soll die Produktion mittels erneuerbarer Energien erfolgen.

Synthetische Kraftstoffe könnten Kerosin ersetzen

Mit Blick auf synthetische Kraftstoffe soll besonders das Power-to-Liquid-Verfahren (PtL) erforscht werden. Hier werden Wasser und CO2 mithilfe erneuerbarer Energie vom Sauerstoff getrennt, sodass eine neue Substanz geschaffen wird, die ähnliche chemische Eigenschaften wie Erdöl hat. Daraus kann dann synthetisches Kerosin hergestellt werden.

Der Vorteil an diesem Verfahren ist, dass das CO2 der Atmosphäre entnommen wird, und nicht wie Erdöl dem Boden. Dadurch ist Power-to-Liquid CO2-neutral. Die Herstellung synthetischer Kraftstoffe bedarf jedoch großer Mengen an Strom. Nur wenn dieser aus erneuerbaren Energien stammt, handelt es sich tatsächlich um einen grünen Kraftstoff.