Mit Erdlöchern und Bäumen gegen Erdbeben

(5.12.2016) Während sich die meisten Forschungen und Entwicklungen zum Schutz von Gebäuden vor Erdbebenschäden auf die Suche nach besseren Konstruktionsweisen und Baumaterialien konzentrieren, will ein Team von Mathematikern des Imperial College London um Professor Richard Craster wertvolle Bausubstanz schützen, indem es die Erdbeben „umleitet“.

Bild aus dem Beitrag „Erdbebenkatalog für Europa und den Mittelmeerraum für das letzte Jahrtausend“ vom 12.8.2012 (© GFZ)

Die Grundidee dahinter ist, dass sich Erdbeben wie Geräusche und Licht in Wellen fortbewegen und es in kleinem Maßstab bereits gelungen ist, Metamaterialien zu entwickeln, deren inneren Strukturen mit Lichtwellen interagieren und diese reflektieren sowie ablenken können - warum sollte es also nicht auch möglich sein, Erdbebenwellen dorthin umzulenken, wo sie keinen Schaden anrichten?

In diesem Sinn haben Wissenschaftler schon versucht, durch das Graben von gleichmäßig verteilten, zylindrischen Löchern zerstörerische, oberflächennahe Wellen zu neutralisieren. Während aber der innere Bereich dadurch tatsächlich geschützt war, verstärkten die Reflexionen in der Umgebung die Schäden sogar noch. Außerdem besteht die Gefahr, dass Erbeben wegen der typischen, sehr langen Wellen den Bohrloch-Schutz unbeeinflusst passieren können. Aber auch wenn der Ansatz noch weiterentwickelt werden muss, schwärmt Professor Craster davon, dass solche Schutzringe um Denkmäler oder Atomkraftwerke Erdbebenwellen so weit ablenken könnten, dass sie harmlos würden. Die Methode könnte auch genutzt werden, um die Vibrationen entlang von Bahnlinien abzuschwächen oder Risse an Häusern zu vermeiden, die in Gegenden mit häufigen leichten Erdbeben stehen.

Bäume statt Erdlöcher

Als Alternative zu den Löchern könnten auch Bäume als natürliche Wellenbrecher eingesetzt werden: Die Mathematiker haben gemeinsam mit französischen Partnern herausgefunden, dass diese als Resonatoren wirken und dadurch seismische Wellen in tiefere Bodenschichten umleiten können, wo sie weniger gefährlich sind, und bezeichnen das als „Metawedge“ aus Bäumen (engl. wedge = Keil). Dabei war ein frei gewachsener Wald mit unterschiedlich hohen Bäumen und unregelmäßigen Abständen effektiver als eine künstlich und gleichmäßig bepflanzte Versuchsanordnung.

© Imperial College London

Letztlich wurde die größte Wirkung und die breiteste Frequenzabdeckung erreicht, wenn die Bäume mit zunehmender Höhe angeordnet wurden. Zwar beeinflussen die Metawedges nur Erdbebenwellen, die aus zwei Richtungen kommen, aber die Forscher sind optimistisch, dass sie eine Lösung für diese Einschränkung finden.