Wann ist Vulkanasche eine Bedrohung für den Flugverkehr?

Vulkanasche kann Flugzeugmotoren beschädigen. Doch wie groß ist das Risiko wirklich? Freigeist-Fellow Wenjia Song und weitere Vulkanologen der LMU haben dafür ein empirisches Modell entwickelt.

Freigeist-Fellow Dr. Wenjia Song erforscht die Ablagerung vulkanischer Asche an Flugzeugturbinen. (Foto: Mirko Krenzel für VolkswagenStiftung)
Freigeist-Fellow Dr. Wenjia Song erforscht die Ablagerung vulkanischer Asche an Flugzeugturbinen. (Foto: Mirko Krenzel für VolkswagenStiftung)

Vulkanasche kann für für Flugzeuge gefährlich werden: Die Aschepartikel können an den heißen Bauteilen der Flugzeugturbinen schmelzen und durch ihre Ablagerungen einen erheblichen Schaden anrichten, bis hin zu einem Ausfall der Turbinen. Der Ausbruch des isländischen Vulkans Eyjafjallajökull im Jahr 2010 führte daher zu Luftraumsperrungen, die den Flugverkehr großräumig lahm legten und erhebliche wirtschaftliche Schäden nach sich zogen. Diese Maßnahmen waren auch deshalb so umfangreich, weil bislang noch keine ausreichenden Erkenntnisse zum Schmelzverhalten von Vulkanasche in Triebwerken vorliegen.

Der Chemieingenieur und Freigeist-Fellow Dr. Wenjia Song und weitere Vulkanologen vom Department für Geo- und Umweltwissenschaften an der Ludwig-Maximilians-Universität München haben nun erstmals das Schmelzverhalten von Vulkanaschen systematisch untersucht. Dazu erhitzten sie Ascheproben von insgesamt neun Vulkanen auf bis zu 1650°C und simulierten so Temperaturen, wie sie an unterschiedlichen Stellen in Triebwerken herrschen können. Dabei zeigte sich, dass die Schmelztemperatur vulkanischer Asche von deren chemischer Zusammensatzung abhängt: Die Asche schmilzt umso früher, je mehr basische Oxide sie enthält.

Mithilfe ihrer Ergebnisse, über die sie in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Nature Communications berichten, haben die Vulkanologen ein empirisches Modell entwickelt, das das Schmelzverhalten der Asche in Abhängigkeit von ihrer chemischen Zusammensetzung und von der Erhitzungsrate beschreibt. Damit lässt sich das Risiko der Ablagerung von Vulkanasche in Triebwerken zukünftig besser abschätzen. Zudem konnten die Forscher zeigen, dass Asche generell bereits bei deutlich niedrigeren Temperaturen schmilzt als Staub oder Sand. Experimente mit Sand, mit denen die Wirkung von Vulkanasche auf Turbinen bislang simuliert wurde, unterschätzen daher das Ausmaß der Schädigung.

Als nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler die Datengrundlage verbreitern und so das Modell weiter verbessern. Ein weiteres Ziel ist es, Triebwerke durch die Entwicklung von "ablagerungs-abweisenden" Oberflächen weniger anfällig zu machen.

Dr. Wenjia Song wird im Rahmen der Förderinitiative "Freigeist-Fellowships" von der VolkswagenStiftung mit knapp 1 Million Euro unterstützt.

Originalpublikation

Volcanic ash melting under conditions relevant to ash turbine interactions, Wenjia Song, Yan Lavalleé, Kai-Uwe Hess, Ulrich Kueppers, Corrado Cimarelli & Donald B. Dingwell; Nature Communications 2016: http://www.nature.com/ncomms/2016/160302/ncomms10795/full/ncomms10795.html

Hintergrund: Freigeist-Fellowships der VolkswagenStiftung

Die fachoffenen Freigeist-Fellowships richten sich an außergewöhnliche Forscherpersönlichkeiten nach der Promotion, die sich zwischen etablierten Forschungsfeldern bewegen und risikobehaftete Wissenschaft betreiben möchten. Der nächste Stichtag ist der 13. Oktober 2016. Weitere Informationen unter "Freigeist-Fellowships".