Forschungscampus MODAL
Mit Mathematik Flugzeug-Treibstoff und Emissionen sparen
Mit besseren Flugrouten sparen Airlines bis zu fünf Prozent Treibstoff ein, indem sie Rückenwinde optimal ausnutzen. Im Forschungscampus MODAL haben Mitarbeitende der Partner Lufthansa Systems und Zuse Institut Berlin zusammen den Optimierer VOLAR für das Flugplanungssystem Lido Flight 4D entwickelt. Heute planen damit 125 Fluggesellschaften die Bewegungen von 7.700 Flugzeugen.
Moderne Passagierflugzeuge sind auf Reiseflughöhen von etwa 10.000 Metern ausgelegt. Sie treffen in dieser Höhe in den Jetstreams auf Starkwindbänder mit Windgeschwindigkeiten von bis zu 500 km/h. Guter Rückenwind oder starker Gegenwind machen einen erheblichen Unterschied bei der Reisezeit, beim Komfort und natürlich auch beim Treibstoffverbrauch und den damit verbundenen Emissionen. Und weil das Wetter in der oberen Atmosphäre sich ebenso ändert wie nahe am Erdboden, planen die Fluggesellschaften ihre Flugrouten möglichst kurz vor dem Abflug auf Basis aktueller Wetterprognosen.
Es geht dabei um große Mengen an Treibstoff. Der Luftverkehrsmarkt, der noch 2021 auf das halbe Volumen von 2019 abgeschmolzen war, erholt sich inzwischen wieder und ist zu seiner langfristigen Wachstumsrate von vier Prozent pro Jahr zurückgekehrt. Ein einziger Langstreckenflug eines Airbus A380 von Frankfurt nach San Francisco benötigt 140 Tonnen Kerosin; dies ist so viel Treibstoff wie zehn Volkswagen Golf Mittelklassewagen während ihres gesamten Fahrzeuglebens verbrauchen. Große Fluggesellschaften haben einen Jahresverbrauch von etwa zehn Millionen Tonnen Kerosin. Die Bestimmung optimaler Flugrouten ist deshalb von großer und stetig wachsender Bedeutung.
Grundsätzlich fliegen Flugzeuge aus Sicherheitsgründen auf einem dreidimensionalen Netz von Luftstraßen. Darin sind in mehr als 20 verschiedenen Flughöhen jeweils etwa 100.000 „Wegpunkte“ definiert und durch 600.000 bis 700.000 „Segmente“ (vorstellbar als virtuelle Linien) verbunden. In diesem dreidimensionalen Graphen wird die beste Flugroute im Prinzip genauso bestimmt, wie man im Auto mit einem Navigationssystem die beste Fahrtroute berechnet. Die Rechnung ist aber komplizierter, weil Flugzeit und Treibstoffverbrauch vom Wetter, von Flughöhe und Temperatur, vom Typ des Flugzeugs und von seinem Gewicht abhängen. Dabei ändert sich während des Fluges das Wetter und durch den Treibstoffverbrauch auch das Gewicht laufend. Hinzu kommen weitere Besonderheiten des Luftverkehrs. Die Aufsichtsbehörden, in Europa EUROCONTROL, stellen einen Katalog mit einer großen und sich ständig ändernden Menge an teilweise komplexen Verkehrsregeln auf, die den Luftverkehr absichern und entzerren sollen, und an die die Fluggesellschaften sich halten müssen. Verschiedene Länder verlangen unterschiedliche, durchaus erhebliche Überfluggebühren. Und so weiter.
Um Flugrouten optimal berechnen zu können, benötigt man auf diese Situation zugeschnittene Verfahren. Die Kernidee besteht darin, die Suche auf die relevanten Bereiche des Luftverkehrsnetzes zu fokussieren und Stellen, die nicht zielführend sind, möglichst früh zu erkennen und dann dort nicht weiter zu suchen. Ohne diesen Fokus würde das Programm unter anderem ständig alle denkbaren Kombinationen im Wegenetz prüfen – zum Beispiel für die Strecke von Paris nach Berlin auch Routen über Peking. Im Forschungscampus MODAL wurden im MobilityLab neue mathematische Methoden entwickelt, die das leisten: Sie können den auf jeden Fall noch notwendigen Minimalverbrauch berechnen. Auf diese Weise bestimmt das Programm zum Beispiel für eine bestimmte Flugzeit die Route von Taipeh nach New York: Sie ist 1.250 Kilometer länger, als das bei bisherigen Berechnungen der Fall wäre. Sie ist aber auch 45 Minuten schneller und spart 5,7 Tonnen Kerosin ein, weil das Flugzeug auf dieser Route Rückenwinde optimal nutzt.
Die meisten Fluggesellschaften planen ihre Flugrouten mit Systemen wie der Software Lido Flight von Lufthansa Systems, in die die MODAL-Entwicklung VOLAR integriert ist. Diese Systeme werden laufend verbessert und an neue Entwicklungen angepasst, die in Europa vor allem im Single European Sky Programm von der Europäischen Kommission koordiniert werden. Lufthansa Systems hat vor etwa zehn Jahren entschieden, eine neue Generation von Optimierungsverfahren zu entwickeln. Ausschlaggebend dafür waren unter anderem viele neue Luftverkehrsregeln, höher aufgelöste Wetterprognosen inklusive vulkanischer Aschewolken und bessere Verbrauchsmodelle, die auch Emissionen berücksichtigen. Nach einem erfolgreichen Pilotprojekt erfolgen diese Arbeiten seit fünf Jahren im MobilityLab des Forschungscampus MODAL. Im MobilityLab bündeln MODAL-Partner ihre Aktivitäten im Bereich der Verkehrsoptimierung. Die Zusammenarbeit unter einem Dach inspiriert die beteiligten Firmen und Forscher zur Entwicklung von Methoden, die sowohl praxistauglich als auch wissenschaftlich neu sind. So entsteht eine Erfolgsdynamik, die zur Lösung eines solch großen und komplexen Problems notwendig ist. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert diese Dynamik durch die Förderinitiative „Forschungscampus“.
Der Optimierer VOLAR bildet heute den Kern des Flugplanungssystems Lido Flight 4D von Lufthansa Systems. 125 Fluggesellschaften planen damit weltweit circa 30.000 Flüge pro Tag, das sind etwa 40 Prozent des zivilen Luftverkehrs. Die Einsparungen durch Flugplanungssysteme werden typischerweise mit etwa 2,5 Prozent beziffert. VOLAR hat diese Einsparungen bei ersten Kunden um weitere 1,5 bis 2,5 Prozent auf insgesamt bis zu fünf Prozent gesteigert. Dies trägt dazu bei, den Luftverkehr nachhaltig kostengünstig und umweltfreundlich zu gestalten.