Qual é o tempo máximo de espera?

Pelo menos nos EUA, não há tempo de espera máximo. O ATC da FAA ordena o 4-6-1 (c) dê instruções para os controladores e eles podem emitir um atraso "indefinido":

When additional holding is expected at any other fix in your facility’s area, state the fix and your best estimate of the additional delay.

[...]

When holding is necessary, the phrase “delay indefinite” should be used when an accurate estimate of the delay time and the reason for the delay cannot immediately be determined; i.e., disabled aircraft on the runway, terminal or center sector saturation, weather below landing minimums, etc.

A decisão final sobre a duração de uma espera é realmente tomada pelo piloto, não pelo controlador. Se uma espera estiver demorando tanto que o combustível estiver acabando, o piloto sempre poderá optar por desviar para outro aeroporto ou declarar uma emergência para tratamento prioritário. Essa questão também pode ser útil.

Não, não há limite. A aeronave permanece tanto tempo na manutenção de padrões quanto combustível.

Na verdade, isso aconteceu recentemente. Por motivos operacionais / de carga, o JFK precisava usar tailwind pistas de pouso, tornando-as muito curtas para o peso de um A380. O A380 pediu aos controladores uma pista mais adequada, mas eles não conseguiram interromper o fluxo o suficiente para permitir isso.

(Também me pergunto se esse piloto do A380 era conservador e outros A380 estavam pousando enquanto ele orbitava. Talvez seu avião em particular fosse pesado.)

O A380 comunicou claramente seu tempo disponível para espera antes que eles precisassem desviar. À medida que o tempo se aproximava, os controladores disseram "não vai acontecer" e se desviaram.

De qualquer forma, aí está o mecanismo: os pilotos planejam um desvio e, a partir disso, olham para o combustível e decidem quanto tempo podem aguentar. Eles dizem ao ATC que, se for útil.

Não há limite de tempo. A aeronave pode estar segurando até o piloto solicitar um desvio ou declarar uma emergência, o que fará dependendo do combustível a bordo.

I know airliners are required to carry extra fuel in case of rerouting (including a safety margin).

Na verdade não. O combustível necessário é calculado como o combustível necessário para voar para o destino, abortar a aproximação para lá e voar para alternar, mantendo um certo tempo em alternativae reserva final de combustível.

O combustível de contingência, para casos de mudança de rota e retenção, fica a critério do piloto. Essas regras significam que, uma vez que o combustível de contingência seja queimado, a aeronave se desviará para alternar, a menos que seja claro que eles poderão pousar em breve.

Os pilotos também devem declarar emergência de combustível quando o pouso com a reserva final de combustível ainda a bordo não for mais garantido com a distância restante e qualquer atraso esperado. E uma vez que isso aconteça, os pilotos podem deixar o porão a seu critério.

Note-se que hoje em dia a retenção geralmente ocorre apenas quando há alguma interrupção, como tempestades que cruzam o aeroporto. Em boas condições, o controle de fluxo cuida principalmente da liberação da aeronave para a decolagem, para que cheguem a intervalos aproximadamente regulares e com a taxa que o aeroporto possa suportar.