Künstliche Intelligenz 09.03.2022, 07:00 Uhr

Erkenntnis aus Corona-Lockdown soll Flugzeuge weniger klimaschädlich machen

Noch sind Flugzeuge, die mit Strom oder Wasserstoff betrieben werden, jenseits von Experimenten Zukunftsmusik. US-Ingenieure wollen deshalb schädliche Effekte konventioneller Triebwerke aufs Klima verringern. Dabei hilft ihnen eine Erkenntnis aus dem Corona-Lockdown.

US-Forschende zeigen, wie sich Kondensstreifen eines Flugzeugs durch Wahl der Route vermeiden lassen. 
Foto: Panthermedia.net/Gajus-Images

US-Forschende zeigen, wie sich Kondensstreifen eines Flugzeugs durch Wahl der Route vermeiden lassen.

Foto: Panthermedia.net/Gajus-Images

Schätzungsweise die Hälfte des Beitrags der Luftfahrtindustrie zur globalen Erwärmung ist direkt auf die Kohlendioxid-Emissionen von Flugzeugen zurückzuführen. Die andere Hälfte ist vermutlich eine Folge von Kondensstreifen. Die charakteristischen weißen Spuren entstehen, wenn sich heiße, feuchte Abgase eines Flugzeugs mit kühler, feuchter Luft hoch in der Atmosphäre vermischen. Die in dünnen Linien ausgestoßenen Kondensstreifen breiten sich rasch aus und können wie eine Decke wirken, die die von der Erde ausgehende Wärme abfängt. Flugzeuge sind also in mehrfacher Hinsicht schlecht fürs Klima.

Während ein einzelner Kondensstreifen kaum Effekte zeigt, haben Kondensstreifen in ihrer Gesamtheit einen erheblichen Einfluss. Sie verringern die Energie, welche von der Erde wieder abgestrahlt wird. Schätzungen zur Relevanz des Phänomens sind noch mit großen Unsicherheiten behaftet. Sie beruhen auf Computermodellen und auf Satellitendaten. Hinzu kommt, dass bekannte Algorithmen, die Kondensstreifen-Daten analysieren, solche Strukturen nur schwer von natürlichen Wolken unterscheiden können.

Genau das ist einem US-amerikanischen Konsortium jetzt gelungen. Ihre Technik wenden die Forschenden an, um zu prognostizieren, wo sich in der Atmosphäre Kondensstreifen mit großer Wahrscheinlichkeit bilden werden: eine Möglichkeit zur Optimierung von Flugrouten bei vergleichbarem Kerosin-Verbrauch. Dem Klima würde es helfen.

Erstflug eines elektrischen Rennflugzeugs der Air Race E

Wenig Flugzeuge, kaum Kondensstreifen, gut fürs Klima

Das kam so: Als die erste Covid-19-Welle 2020 über die Welt hereinbrach, führten Reisebeschränkungen und sinkende Passagierzahlen zu etlichen Flugverboten. Durch solche Einschränkungen gab es kaum noch größere Flugzeuge am Himmel, und die Zahl an Kondensstreifen verringerte sich drastisch.

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Anhand von Bilddaten haben Ingenieurinnen und Ingenieure Kondensstreifen kartiert, die im Jahr 2020 über den Vereinigten Staaten erzeugt wurden, und die Ergebnisse mit den Jahren vor der Pandemie verglichen. Sie fanden heraus, dass Kondensstreifen an einem beliebigen Tag im Jahr 2018 und auch 2019 eine Gesamtfläche bedeckten, die der Fläche von Massachusetts und Connecticut zusammen entspricht. Im Jahr 2020 schrumpfte der Wert um etwa 20%, was einen ähnlichen Rückgang bei US-Flügen widerspiegelt.

„Auch wenn der Rückgang der Kondensstreifen im Jahr 2020 nicht überraschend ist, sind die Ergebnisse doch ein Beweis dafür, dass die Kartierungstechnik des Teams funktioniert“, schreiben die Autorinnen und Autoren der Publikation.

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Ein Algorithmus „lernt“, Kondensstreifen zu erkennen

Um Kondensstreifen, die dem Klima schaden können, präzise zu erkennen, griff das Team auf Bilder des geostationären NASA-Satelliten GOES-16 zurück. Forschende nahmen sich zunächst etwa 100 Satellitenbilder vor. Sie schulten eine Gruppe von Personen darin, Fernerkundungsdaten zu interpretieren und Teile eines Kondensstreifens zu kennzeichnen. Mit diesem Datensatz trainierten sie einen Computer-Vision-Algorithmus, um einen Kondensstreifen von einer Wolke oder einem anderen Bildmerkmal zu unterscheiden.

Anschließen ließen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ihren Algorithmus über 100.000 Satellitenbilder laufen, wobei jedes Pixel einer Fläche von etwa zwei Quadratkilometern entspricht. Bilder deckten die USA sowie Teile Kanadas und Mexikos ab; sie wurden zwischen 1. Januar 2018 und dem 31. Dezember 2020 etwa alle 15 Minuten aufgenommen.

Der Algorithmus klassifizierte jedes Pixel automatisch als Kondensstreifen oder als anderweitige Struktur – und erstellte detaillierte Karten der USA. Sie spiegelten die Hauptflugrouten der meisten US-Fluggesellschaften wider.

Flugrouten fürs Klima digital optimieren

Auf der Grundlage ihrer neuen Karten berechneten Forschende die Gesamtfläche, die jeden Tag von klimaschädlichen Flugzeug-Kondensstreifen in den USA bedeckt wurde. An einem durchschnittlichen Tag in 2018 und 2019 nahmen Kondensstreifen in den USA etwa 43.000 Quadratkilometer ein. Diese Fläche ging im März 2020, als die Pandemie einsetzte, um 20% zurück. Von da an tauchten die Kondensstreifen langsam wieder auf, als der Flugverkehr im Laufe des Jahres wieder aufgenommen wurde.

Das Team beobachtete auch tägliche und saisonale Muster. Im Allgemeinen schienen Kondensstreifen am Morgen ihren Höhepunkt zu erreichen und am Nachmittag abzunehmen. Die Bedeutung der Beobachtung ist unklar. Da sich natürliche Zirruswolken eher am Nachmittag bilden, könnte der Algorithmus Schwierigkeiten haben, Kondensstreifen inmitten der Wolken zu erkennen, die später am Tag auftreten. Es könnte sich aber auch um einen wichtigen Hinweis handeln, wann sich Kondensstreifen am häufigsten bilden. Die Kondensstreifen erreichten ihren Höhepunkt im späten Winter und zu Beginn des Frühlings, wenn die Luft von Natur aus kälter ist und die Bildung von Kondensstreifen eher begünstigt.

Das Team hat die Technik nun so angepasst, dass sie in Echtzeit vorhersagen kann, wo sich Kondensstreifen wahrscheinlich bilden werden. Wenn man diese Regionen vermeidet, hoffen die Ingenieurinnen und Ingenieure, könnte man den Beitrag des Luftverkehrs zur globalen Erwärmung stark reduzieren – ohne Zeitverzug. Flugzeuge würden dem Klima dann weniger schaden.

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Ein Beitrag von:

  • Michael van den Heuvel

    Michael van den Heuvel hat Chemie studiert. Unter anderem arbeitet er für Medscape, DocCheck, für die Universität München und für pharmazeutische Fachmagazine. Seit 2017 ist er selbstständiger Journalist und Gesellschafter von Content Qualitäten. Seine Themen: Chemie/physikalische Chemie, Energie, Umwelt, KI, Medizin/Medizintechnik.

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