Flugführungsinstrumente machen Luftverkehr flexibel gegen Aschewolken

Damit der Luftverkehr zukünftig flexibler auf Vulkanasche reagieren kann, hat das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) im Projekt VolcATS (Volcanic Ash Impact on the Air Transport System) bereits eine verbesserte satellitengestützte Vulkanaschedetektion entwickelt.

Seit Islands Vulkan Bardabunga Feuer spuckt, ist sie wieder allgegenwärtig: die Sorge, eine Vulkanaschewolke breitet sich wie im April 2010 über Europa aus und bringt den Flugverkehr zum Erliegen. Aufbauend auf verbesserten Lagebildern mithilfe aktueller Satellitendaten untersuchen die DLR-Forscher, wie sich das Luftverkehrsmanagement flexibel an großräumige Luftraumsperrungen bei Vulkanasche anpassen kann.

Luftverkehrsmanagement muss auf Aschewolke reagieren

"Für uns ist es wesentlich, ein integriertes Beobachtungs- und Reaktionssystem für eine zukünftige Vulkankrise zu entwickeln, mit dem schnell auf eine neue Aschewolke aus Island reagiert werden kann", sagt der Projektleiter Dr. Hans Schlager vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre. "Dabei greifen wir auf die vielfältigen Kompetenzen des DLR zurück".

Grundlegend für eine flexiblere Steuerung des Luftverkehrs bei einer erneuten Aschewolke in Europa ist die präzise und zeitnahe Detektion, die die DLR-Atmosphärenforscher basierend auf Meteosat-Satellitendaten verfeinert haben. Zukünftige Flugführungsmaßnahmen, ebenso wie verbesserte Managementprozesse der Airlines und Flughäfen bauen darauf auf.

Im Rahmen des Projekts VolcATS entwickelt das DLR-Institut für Flugführung Algorithmen und Prozeduren mit dem Ziel, die Auswirkungen auf den Flugverkehr bei einer erneuten Aschewolke in Deutschland zu minimieren. "Wir benötigen ein robustes Luftverkehrsmanagement, das großräumige Störungen durch Vulkanasche abfedern kann", sagt Institutsleiter Prof. Dr. Dirk Kügler. Dafür setzen die Braunschweiger DLR-Forscher auf die Weiterentwicklung bewährter Flugführungsinstrumente, die beispielsweise bereits für Ausweichrouten um Schlechtwettergebiete genutzt werden.

Aschewolken verkleinern den verfügbaren Luftraum und verursachen Engstellen im Flugverkehr ähnlich denen im Straßenverkehr, wenn etwa durch eine Baustelle Fahrspuren wegfallen. "Kein Flugzeug sollte am Boden bleiben müssen, weil der durch die Aschewolke eingeschränkte Platz im Luftraum nicht optimal nutzbar ist", so Kügler. Hier greifen die neuen Flugführungsinstrumente an. Sie werden im Cockpitsimulator GECO (Generic Experimental Cockpit) im Verbund mit dem Luftverkehrssimulator "TrafficSim" für verschiedene Szenarien mit großräumigen Vulkanaschesperrungen getestet.

Ungenaue Vorhersagen ließen viele Flüge ausfallen

Welche lindernde Wirkung Flugführungsmaßnahmen kombiniert mit einer präziseren Erfassung der Vulkanascheverteilung entfalten können, haben die DLR-Forscher bereits am Beispiel des Eyjafjallajökullausbruchs 2010 untersucht. Sie nahmen sich den Flugverkehr vom 17. April 2010 als Beispiel, an dem aufgrund der vulkanaschebedingten Luftraumsperrungen nur etwa 5.000 Flüge in Europa durchgeführt wurden.

An einem normalen Verkehrstag können über 30.000 Verkehrsflugzeuge in Europa unterwegs sein. Die weiträumige Sperrung des Luftraums fußte damals auf recht groben Vulkanaschevorhersagen, die nur alle sechs Stunden neue Werte liefern konnten. Gleichzeitig wurde eine Strategie verfolgt, Flüge durch Gebiete mit Vulkanasche mit großflächigen Luftraumsperrungen zu vermeiden.

"In unserer Vergleichsrechnung für den 17. April 2010 gehen wir davon aus, dass künftig verbesserte Vorhersagen zu Aschekonzentrationswerten und Verteilungsprofilen verfügbar sind, die alle heutigen technischen Möglichkeiten nutzen", erklärt Dr. Bernd Korn vom DLR-Institut für Flugführung. "Dabei zeigte sich, dass mit solch einer verbesserten Aschevorhersage an jenem 17. April 2010 etwa 3.700 Flüge mehr hätten stattfinden können, da die damalige Vorhersage deutlich größere Aschesperrgebiete umfasste", so Korn weiter.

Noch 2.000 weiter Flüge hätten durchgführt werden können, hätte man noch Umleitungsalgorithmen angewendet. Zudem konnten die Forscher nachweisen, dass zwischenzeitlich am Boden verbliebene Maschinen schneller wieder in Betrieb genommen werden können, wenn ein häufiger aktualisiertes Lagebild der Ascheverteilung (beispielsweise mit einstündigem Update statt dem üblichen 6-Stundenvorhersagezyklus) vorliegt.

Entscheidungsprozesse im Leitstandsimulator ACCES proben

Schnelligkeit ist auch bei der Informationsverteilung im Krisenfall gefragt. Zukünftig wird es noch entscheidender sein, wie effektiv sich Vulcanic Ash Advisory Center (VAAC), Wetterdienst, Flugsicherung, Flughäfen und Airlines über die aktuelle Lage austauschen. Untersucht wird diese Fragestellung im Leitstandssimulator ACCES (Airport and Control Center Simulator) des DLR-Instituts für Flugführung.

"Wichtig ist hier beispielsweise, wie Informationen für die Entscheider in einem Einsatzzentrum aufbereitet werden", erläutert Korn. Zudem ist ein funktionierendes Zusammenspiel aller Akteure für ein funktionierendes Gesamtsystem unerlässlich. "Beispielsweise kann es helfen, einige Flüge großräumiger umzuleiten, um insgesamt mehr Flugzeuge um eine Aschwolke zu führen. Solche wirtschaftlich nicht immer ganz leichten Entscheidungsprozesse gilt es vom theoretischen Konzept in der konkreten Anwendung zu untersuchen."

Lufttransportsysteme als Werkzeug zur Kostanabschätzung

In der Folge des Eyjafjallajökullausbruchs mussten 2010 rund 100.000 Flüge gestrichen werden, zehn Millionen Passagiere saßen fest. Der volkswirtschaftliche Schaden war immens. Wie eine Fluggesellschaft auf solch eine großräumige Störung reagiert, etwa welche Strecken geschlossen, welche noch aufrecht mit welchen Flugzeugen gehalten werden, verursacht im Detail unterschiedliche Folgekosten. Hierfür entwickeln die DLR-Lufttransportsysteme im Rahmen von VolcATS ergänzend unterschiedliche Reaktionsmodelle.

Diese werden die Gesamtkosten verschiedener Entscheidungen bei großräumigen Luftraumsperrungen abbilden und damit Handlungsalternativen aufzeigen. "Mit diesem Werkzeug schaffen wir eine einzigartige Bewertungsumgebung für hochrangige Entscheidungsträger zumindest im Trend die ökonomischen Auswirkungen abschätzen zu können", so Prof. Dr. Volker Gollnick, Leiter der DLR-Lufttransportsysteme.

Forschungsbedarf von Vulkanasche und Luftverkehr

Forschungsarbeiten zu den Auswirkungen von Vulkanasche auf den Luftverkehr bündelt das DLR im Projekt VolcATS (Volcanic ash impact on the Air Transport System). Dieses Projekt umfasst ein satellitengestütztes Verfahren, das kurzfristig die Ascheverteilung in der Luft bestimmt und vorhersagt sowie Beiträge für ein flexibles Luftverkehrsmanagement, mit dem aschefreie und damit sichere Bereiche für den Flugverkehr freigegeben werden können.

Ergänzend werden die noch unzureichend bekannten Folgen von Vulkanasche für Flugzeugtriebwerke untersucht sowie ein Asche-Warnsystem für Verkehrsflugzeuge entworfen. Beteiligt sind die DLR-Institute für Physik der Atmosphäre, Flugführung, Werkstoffforschung, Antriebstechnik, Flugsystemtechnik sowie die DLR-Lufttransportsysteme und die DLR-Flugexperimente.