Wie Vulkanasche Flugzeugtriebwerke schädigt

Vulkanasche kann Flugzeugmotoren beschädigen. Doch wie groß ist das Risiko wirklich? Vulkanologen der Ludwig-Maximilians-Universität München haben dafür ein empirisches Modell entwickelt, weil Tests mit Sand das Verhalten der Asche nicht korrekt widerspiegeln. Vulkanasche ist für Flugzeuge gefährlich, da sie Düsen­triebwerke, aber auch andere Flugzeug­teile massiv beschädigen kann. Deshalb führte der Ausbruch des isländischen Vulkans Eyjafjalla­jökull im Jahr 2010 zu Luftraum­sperrungen, die den Flugverkehr großräumig lahm legten und erhebliche wirtschaftliche Schäden nach sich zogen.

„Die Schäden an den Triebwerken entstehen vor allem durch die Ablagerung geschmolzener Asche“, sagt Donald Dingwell, Direktor des Departments für Geo- und Umwelt­wissenschaften. „Die Luftraum­sperrungen waren auch deshalb so umfangreich, weil es noch keine ausreichenden Erkenntnisse zum Schmelz­verhalten von Vulkanasche in Triebwerken gibt.“ Dingwell hat mit seinem Team nun gezeigt, dass die chemische Zusammen­setzung der Asche dabei eine Rolle spielt – und dass Tests mit Sand oder Staubpartikeln die Auswirkungen von Vulkanasche auf Triebwerke nicht korrekt widerspiegeln. Mithilfe ihrer Ergebnisse haben die Vulkanologen ein Modell entwickelt, mit dem sich das Risiko besser abschätzen lässt.

In Düsentriebwerken herrschen Temperaturen von 1200 bis zu 2000 Grad Celsius. Unter solchen Bedingungen schmilzt Vulkanasche und lagert sich auf den heißen Bauteilen der Flugzeug­turbine ab. Dadurch verstopfen unter anderem Kraft­stoff­düsen und Kühlluft­bohrungen, außerdem besteht die Gefahr, dass die Aschepartikel in die Hitze­schutz­schicht der Turbine eindringen und dort erheblichen Schaden anrichten. „Bisher gibt es nur veraltete Tests, bei denen die Haltbarkeit von Turbinen gegenüber Partikeln in der Luft mithilfe von Sand untersucht wurde“, sagt Dingwell. „Vulkanische Asche unterscheidet sich chemisch aber deutlich von Sand. Zusätzlich kann ihre chemische Zusammen­setzung auch noch sehr stark variieren, je nachdem, von welchem Vulkan sie stammt.“

Darum haben die Forscher nun erstmals das Schmelzverhalten von Vulkanaschen systematisch untersucht. Dazu erhitzten sie Ascheproben von insgesamt neun Vulkanen auf bis zu 1650 Grad Celsius und simulierten so Temperaturen, wie sie an unterschiedlichen Stellen in Trieb­werken herrschen können. Dabei zeigte sich, dass die Schmelztemperatur von vulkanischer Asche von deren chemischer Zusammen­setzung abhängt: Die Asche schmilzt umso früher, je mehr basische Oxide sie enthält. „Mithilfe unserer Daten konnten wir ein empirisches Modell entwickeln, das das Schmelzverhalten der Asche in Abhängigkeit von ihrer chemischer Zusammen­setzung und von der Erhitzungsrate beschreibt“, sagt Dingwell. „Außerdem haben wir frühere Ergebnisse bestätigt, dass Asche generell bereits bei deutlich niedrigeren Temperaturen schmilzt als Staub oder Sand – sich also auch schneller auf den heißen Bauteilen ablagert.“ Die Wissenschaftler sind daher der Überzeugung, dass Experimente mit Sand nicht geeignet sind, um die Wirkung von Vulkanasche auf Turbinen zu untersuchen, da sie das Ausmaß der Schädigung unterschätzen.

„Mit unserem Modell liefern wir die Basis, die Ablagerung von Vulkanasche in Triebwerken zukünftig besser einzuschätzen”, sagt Dingwell. 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.

LMU / DE