Forschungsflugzeug HALO

HALO – ein Flugzeug für die dünne Luft

Wie gelangt Ozon in die Stratosphäre? Wie klimawirksam sind Kondensstreifen? Und wie bildet sich überhaupt Regen? Solche Fragen wollen Forscher künftig mithilfe des neuen Forschungsflugzeugs HALO beantworten. Der Jet lässt sich mit vielerlei Messinstrumenten bestücken – etwa um Staubpartikel zu messen – und kann über 15 Kilometer hoch aufsteigen.

Bis in die dünne Luft der Stratosphäre – der zweiten Schicht der Atmosphäre – steigt das neue Forschungsflugzeug HALO auf. Das Kürzel HALO steht für High Altitude and Long Range Research Aircraft. Das bedeutet: Der Flieger kann in besonders große Höhen vordringen und ohne Nachtanken extrem lange Strecken zurücklegen. Mit HALO haben deutsche Atmosphären- und Umweltforscher ein lang ersehntes Hilfsmittel für Messungen erhalten, die vor allem für die Erkundung von atmosphärischen Prozessen chemischer und physikalischer Art von enormer Bedeutung sind. Außerdem schließt Europa mit dem Flugzeug zu den USA auf, die bereits über einen ähnlichen Höhenflieger verfügen. Prinzipiell ergänzen solche Flugzeugmessungen die Bodenbeobachtungen und die Messungen durch Satelliten.

Blick aus dem CockpitForschungsflugzeug HALO
Bildergalerie: Forschungsflugzeug HALO

HALO löst das fünfunddreißig Jahre alte deutsche Forschungsflugzeug Falcon 20-E ab. Die Falcon erreichte eine Flughöhe von zwölf Kilometern, HALO schafft es bis auf 15,5 Kilometer. Während die Falcon nach 3500 Kilometern nachtanken musste, ist bei HALO erst nach 8000 Kilometern eine Zwischenlandung nötig. Auch die Nutzlast vergrößert sich: Beim neuen Flieger sind es drei Tonnen gegenüber einer Tonne beim Vorgänger. „Jetzt haben wir die Möglichkeit, einen umfangreichen Satz verschiedener Messinstrumente mitzunehmen“, sagt Hans Schlager, Abteilungsleiter für Atmosphärische Spurenstoffe im Deutschen Zentrum für Luftund Raumfahrt (DLR). Das sei besonders wichtig, weil die Wissenschaftler oft zeitgleich Spurengase und Aerosole, Partikel in der Atmosphäre, messen müssen, was nur mit unterschiedlichen Messtechniken möglich ist.

Umbau für die optimale Messtechnik

Genau wie das Forschungsflugzeug in den USA basiert HALO auf einem Modell des Herstellers Gulfstream Aerospace. Die Gulfstream G550 sei der leistungsfähigste Businessjet, den es zurzeit gibt, sagt Schlager. Der Jet musste für die wissenschaftliche Nutzung und die Integration der wissenschaftlichen Instrumente aufwändig umgebaut und anschließend zertifiziert werden. Das dauerte insgesamt rund drei Jahre. Die Zertifizierung des modifizierten Flugzeugs war auch deshalb so anspruchsvoll, weil sichergestellt werden musste, dass die Mess- und Analyseinstrumente keine elektromagnetischen Störungen in der Bordelektronik hervorrufen.

In die Außenhaut der Kabine von HALO wurden zudem viele Einlassöffnungen für Probenluft und Fenster für Fernerkundungsinstrumente installiert, die Öffnungen sind teilweise 50 Zentimeter breit. Darum musste die Kabinendecke an anderer Stelle verstärkt werden, bis die Stabilität wiederhergestellt war. Hinzu kamen mehrere Außensensoren: Zum Beispiel besitzt HALO eine lange Nase, die für Wind- und Turbulenzmessungen dient. An einzelnen Andockstellen lassen sich Aerosolmessgeräte anbringen.

Flugzeug in der Luft.
Forschungsflugzeug HALO

Im Inneren der Flugzeugkabine steckt ebenfalls eine Menge zusätzliches Knowhow. Die Stromversorgung ist mit zehn Kilowatt doppelt so leistungsfähig wie bei einer normalen G550. Alle Mess- und Analysegeräte erlauben eine sofortige Darstellung der Daten auf Monitoren, sodass man schon während des Flugs die Messungen beurteilen und gegebenenfalls den Flugplan anpassen kann. Wegen der umfangreichen Nutzung der GPS-Navigationstechnik sind alle Messinstrumente und Datenanlagen präzise zeitsynchronisiert. Über Satelliten steht HALO mit Bodenstationen in Verbindung, damit die Messdaten dort ebenfalls zeitnah verfügbar sind. Von den Bodenstationen werden auch aktuelle Wetterdaten an HALO übermittelt.

Spurengase, Wasserdampf und Wolken

Forscher stehen Schlange, um mit HALO richtig loszulegen: „Mehr als zehn Kampagnen sind zurzeit geplant“, sagt Schlager. Dabei geht es vorwiegend um physikalische und chemische Prozesse in der Atmosphäre, die noch nicht ausreichend vermessen und verstanden sind.

Schlager selbst wird das Projekt ESMVal koordinieren. Die Abkürzung steht für Erdsystemmodellvalidierung. Im September 2012 wollen die Forscher von Spitzbergen über Kapstadt bis zum Indischen Ozean fliegen, um Vertikalprofile von Spurengasen wie Ozon und Methan aufzunehmen. Anhand dessen sollen Klimamodelle überprüft und verbessert werden. Ebenfalls im Herbst beginnt die Kampagne TACTS. Das Kürzel steht für Transport and Composition in the Upper Troposphere and Lower Stratosphere. Unter der Leitung von Andreas Engel an der Universität Frankfurt soll untersucht werden, auf welchem Weg Spurenstoffe in die Stratosphäre gelangen, die dort besonders klimarelevant sind, zum Beispiel Wasserdampf. Geplant sind drei Doppelflüge von Deutschland zu den Kapverden und zurück.

In dem Projekt NAVAL (Next Generation Aircraft Remote Sensing for Validation) wird es hingegen um niedrige, ganz gewöhnliche Wolken gehen, die sich weiter unten in der Troposphäre bilden, der untersten Schicht der Atmosphäre. Koordiniert vom Max-Planck-Institut für Meteorologie will das Projektteam herausfinden, wie der Mensch die Eigenschaften von Wolken beeinflusst, etwa durch industrielle Emissionen und Waldbrände. Außerdem wollen die Wissenschaftler besser verstehen, wie sich Niederschlag bildet.

Ebenfalls um Wolken, genauer gesagt um Federwolken (Zirrus), wird es in der Kampagne ML-CIRRUS gehen. Das Kürzel ML steht für mid-latitude, also für die mittleren Breiten. Der Koordinator ist Ulrich Schumann, Institutsleiter am DLR. Der Fokus liegt beim Einfluss von menschengemachten Emissionen auf hohe Eiswolken. Damit ist unter anderem die Entstehung und Ausbreitung von Kondensstreifen durch den Flugverkehr gemeint. In weiteren Kampagnen wollen Wissenschaftler die Eigenschaften hochreichender Schauer und Gewitterwolken untersuchen, die Fähigkeit der Atmosphäre zur Selbstreinigung analysieren sowie feine Änderungen von Erdschwerefeld und Erdmagnetfeld beobachten.

HALO hat 70 Millionen Euro gekostet und ist durch eine gemeinschaftliche Anstrengung von vielen Forschungsinstitutionen und staatlichen Partnern zustande gekommen. Dazu zählen das Bundesministerium für Bildung und Forschung, die Deutsche Forschungsgemeinschaft, die Helmholtz-Gemeinschaft, die Max-Planck- Gesellschaft, die Leibniz-Gemeinschaft, der Freistaat Bayern, das Karlsruher Institut für Technologie, das Deutsche Geoforschungszentrum, das Forschungszentrum Jülich sowie das DLR.