Ein Blick zurück in die Geschichte lässt die Überschallfliegerei erst einmal ökologisch äußerst ungünstig dastehen: so lag der Verbrauch der Concorde mit rund 20t pro Stunde etwa doppelt so hoch wie der einer Boeing 747-400, wobei der rund Mach 2,2 schnelle Jet nur etwas mehr als ein Viertel der Passagiere des "Jumbo-Jets" befördern konnte. Die auf den Treibstoff bezogene "Transportleistung", die man vereinfacht auch in eine "Umweltgüte" übersetzen könnte, wäre damit fast um Faktor 8 schlechter als bei der 747. Wenn man allerdings den Faktor Zeit in die Leistung mit einbezieht (wie es physikalisch ja auch nur korrekt wäre) so ist die rund doppelt so schnelle Concorde "nur" noch viermal so schlecht wie die 747. Aber zum Grundsätzlichen:

Was bedeutet eigentlich Überschall im Hinblick auf den Leistungsbedarf?

Hierzu müssen wir einmal in sehr knapper Form in die Grundlagen der Aerodynamik einsteigen. So kennen die meisten die Luftwiderstandformel F = rho/2 * Cw * A * v^2 . Aus ihr wird erkennbar, dass die Luft bei einer festen Dichte "rho" (die, wie wir wissen, natürlich höhenabhängig ist) und einem festen "Cw-Wert" (den man u.a. auf die Form des durch die Luft bewegten Objekts zurückführen kann und der oft auch als Luftwiderstandbeiwert bezeichnet wird) sowie einer festen Querschnittsfläche "A" schließlich vom Quadrat der Geschwindigkeit abhängt, d.h. also: doppelt so schnell, viermal so viel Luftwiderstand.

Wenn man Leistung nach Newton'scher Mechanik also als P=F*v, also Kraft mal Geschwindigkeit definiert, führt somit eine doppelte Geschwindigkeit zu einem achtfachen (!) Leistungsbedarf. Da dies grundsätzlich für das gesamte Geschwindigkeitsspektrum der Fliegerei gilt, stellt sich die Sache somit bereits recht eindeutig dar: immer schneller bedeutet unverhältnismäßig mehr Leistungs- und Energiebedarf. Grundsätzlich ist es auch genau so, nur wird es im transsonischen und supersonischen Bereich noch einmal spannend.

Der Widerstandsbeiwert Cw ist grundsätzlich eine recht charmante Art, viele strömungsmechanische Einzelphänomene formabhängig zusammenzufassen, die alle zum gesamten Strömungswiderstand beitragen. Dieser setzt sich nämlich zusammen aus Druck-, Reibungs-, Interferenz-, induziertem und Wellenwiderstand.

Nun ist es allerdings so, dass der Widerstandsbeiwert nur in einem inkompressiblen Medium mehr oder weniger geschwindigkeitsunabhängig bleibt (hier ist er lediglich von der Viskosität des Mediums und der sog. charakteristischen Länge abhängig – beides wird ausgedrückt in der sog. Reynoldszahl). Wird das Medium allerdings kompressibel, wie es im hohen Unterschallbereich aufgrund der Aufstauung und dadurch forcierten Kompression immer stärker der Fall ist, dann ändert sich der Cw-Wert auch unabhängig von der Reynoldszahl. Dies ist primär ein Resultat des sich im sog. transsonischen Bereich (also um Mach 1 herum) bemerkbar machenden Wellenwiderstands, der aus Druckerhöhungen an angeströmten, bzw. Druckminderungen an abgewandten Kanten entsteht, was zu einem starken Anwachsen des Cw-Werts um Mach 1 herum führt.

Der Luftwiderstandsbeiwert eines Flugkörpers kann hierbei durchaus ein Vielfaches seines Wertes im niedrigen Unterschallbereich annehmen, sinkt dann allerdings jenseits von Mach 1 bei spitzen Körpern wieder langsam ab um sich im höheren Überschallbereich je nach Formgebung an einen nahezu konstanten Wert anzunähern. Als Faustregel und lediglich zur Abschätzung der Größenordnung (da das Ganze wie gesagt formabhängig ist) kann man festhalten, dass dieser annähernd konstante Überschall Cw-Wert bei ca. dem doppelten Unterschallwert liegt.

Damit wird klar, dass neben dem kubisch (also mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit) steigenden Leistungsbedarf noch ein besonders hoher Energieaufwand für das „Durchbrechen“ von Mach 1 notwendig ist, der dann im höheren Überschallbereich wieder nachlässt, jedoch keinesfalls geringer wird als beim Unterschallflug.

Wellenreiter der Lüfte

Nun gibt es allerdings noch einen besonders smarten Ansatz, die bereits erwähnte (Druck-)-Wellenbildung im hohen Überschallbereich zur Widerstandsreduktion zu nutzen, und zwar indem das Luftfahrzeug auf der Druckwelle "reitet", das heißt die entstehenden Druckwellen zur Auftriebserzeugung nutzt. Man nennt dies auch einen "Kompressionsauftrieb". Da dieser wiederrum die klassische Auftriebserzeugung verringert, wird der dabei sonst entstehende induzierte Widerstand (der aus dem Druckausgleich zwischen den Zonen unterschiedlichen Drucks der Tragfläche entsteht) reduziert, bei guter Auslegung um bis zu 30%.

Neben den aerodynamischen Fragen gibt es allerdings auch noch solche, die die Antriebstechnologie betreffen. Für hohe Geschwindigkeiten ist aus mechanischen Effizienzgründen das sogenannte Staustrahltriebwerk oder "Ramjet" interessant, da es für die Verdichtung der Luft, anders als konventionelle Triebwerke, ohne bewegte Teile auskommt und die Luft rein durch die Anströmgeschwindigkeit in einer Brennkammer verdichtet. Dass es dabei nicht "aus dem Stand" heraus starten kann, sondern erst einmal durch andere Antriebstechniken auf eine gewisse Geschwindigkeit gebracht werden muss, sei für unsere Überlegungen nicht von Relevanz.

Eine zusätzliche Herausforderung ergibt sich für den Ramjet im Überschallbereich, wo die beim Triebwerkseintritt entstehende Verdichtung zu hohen Temperaturanstiegen führt, was einen thermodynamischen Effizienzverlust verursacht, da sich die Eintrittstemperatur dabei der Austrittstemperatur annähert. Abhilfe schafft hier die recht komplexe Verbrennung des Treibstoff-Luftgemischs in einer Überschallströmung (die eine vorherige Aufstauung durch Abbremsen der Luft vermeidet), was allgemein als "Supersonic Combustion Ramjet" oder kurz "Scramjet" bezeichnet wird. Scramjets haben ihre höchste Effizienz im Bereich zwischen Mach 3 und Mach 5 und können theoretisch sehr gut mit Wasserstoff als Brennstoff arbeiten, wo zusammen mit den oben genannten Effizienzsteigerungen (z.B. durch das "Wellenreiten") ein gewisses Potenzial für einen nachhaltigen Überschallluftverkehr liegt.

Umweltpolitische und technische Herausforderungen des Überschallfluges

Zusammenfassend lässt sich also sagen: Der Überschallflug braucht sehr viel Energie und die umweltpolitischen und technischen Herausforderungen der konventionellen Luftfahrt betreffen somit auch (und sogar in verstärktem Maße) eine hypothetische Neuaufnahme der Überschallzivilluftfahrt. Zugleich gibt es Möglichkeiten, den Überschallflug mit großer technischer Finesse und hohem Entwicklungsaufwand verhältnismäßig effizient zu gestalten, insbesondere dann, wenn hier die Möglichkeiten zum Einsatz von Scramjets und Wellenreitern genutzt werden. Aber auch dann bleibt der Energieaufwand und Leistungsbedarf deutlich höher als beim Unterschallflug, so dass letztlich die Treibstoffe und deren Emissionsbilanz entscheidend bleiben.