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Die Mutter aller Sensoren

erstellt von timo_meyer zuletzt verändert: 15.03.2010 17:04

Ein spezielles Erdbebenwarnsystem stoppt im Katastrophenfall Japans Schnellzüge binnen zwei Minuten. Doch deutsche Forscher und Ingenieure arbeiten bereits an der nächsten Generation, mit einer genial einfachen Grundidee: Sie wollen die Gleise selbst nach Erschütterungen horchen lassen.

„Der Zug fuhr ganz normal, als es plötzlich stark schaukelte, und ich fast mit meinem Gesicht gegen den Sitz vor mir schlug.“ Was der Büroangestellte Eiichi Nakamura am späten Nachmittag des 23. Oktober 2004 erlebte, war die erste Entgleisung des japanischen Superzugs Shinkansen seit seiner Inbetriebnahme im Jahre 1964. Die Ursache war ein schweres Erdbeben, das kurz zuvor die Präfektur Niigata auf Japans Hauptinsel erschüttert hatte. Die Erdstöße hatten den Schnellzug einfach aus den Schienen gehoben. Ein bis dato undenkbares Szenario für japanische Eisenbahnexperten.

Ihr Vertrauen in die Shinkansen-Linien basiert zum Teil auf dem „Urgent Earthquake Detection and Alarm System“, bis heute das weltweit einzige im Dienst stehende Frühwarnsystem für Transportlinien. Registriert UrEDAS Bodenbewegungen einer bestimmten Stärke, wird die Stromzufuhr zu den Schnellzügen in der betroffenen Region automatisch unterbrochen, was in den letzten 20 Jahren bereits mehr als 100 Mal geschah. Auch dieses Mal erreichte das System die Computer von vier Zügen noch rechtzeitig, Zug 325 allerdings war dem Epizentrum des Bebens zu nah, um noch abgebremst oder gar gestoppt werden zu können.

 

Entgleistes Technikwunder

 

Entgleistes Technikwunder: Ein japanischer Shinkansen-Zug steht nach dem Niigata-Erdbeben im Oktober 2004 neben den Schienen. © GEES, University of Southern California, http://gees.usc.edu/GEES

 

Die Beinahe-Katastrophe macht vor allem eines deutlich: Die Dichte der Sensoren, mit denen nach seismischen Aktivitäten gefahndet wird, ist eine kritische Größe für eine effektive Katastrophenfrühwarnung. Mehr Sensoren in geringeren Abständen heißt kürzere Reaktionszeiten und größere Vorwarnzeiten. Also kann man entweder in die bestehenden Netze einfach mehr Sensorstationen integrieren oder aber man überlegt sich etwas vollkommen Neues – so wie Eberhard Hohnecker.

„Ich biete ihnen den größten Sensor der Welt.“

Hohnecker ist Leiter der Abteilung Eisenbahnwesen des Instituts für Straßen- und Eisenbahnwesen der Universität Karlsruhe und seit Frühjahr 2007 Leiter eines Projekts mit dem Namen „EWS TRANSPORT“. Hohnecker erinnert sich an dessen Geburtsstunde: „Ich wurde angerufen von einem Vermittler, mit dem wir zusammenarbeiten. Und der hat mich gefragt, ob ich mir was zum Thema Erdbebenvorwarnung vorstellen könne – das wäre gerade ausgeschrieben. Eigentlich habe ich mit dem Themengebiet nichts zu tun, aber ich gelte unter Kollegen wohl als Mann für ausgefallene Ideen. Ich habe jedenfalls geantwortet, dass mir spontan nichts einfallen würde und ich eine Nacht darüber schlafen müsste. Am nächsten Morgen habe ich ihn dann angerufen und gesagt: ‚Ich biete ihnen den größten Sensor der Welt.’ Da hat er mich gefragt, was das denn wäre und ich habe gesagt: ‚Ich glaube, es gibt fast keinen besseren Sensor als Eisenbahnschienen. Und die gibt es auf der ganzen Welt.’ Das war die Grundidee.“

 

Prof. Eberhard Hohnecker, Projektleiter EWS TRANSPORT


Prof. Eberhard Hohnecker, Projektleiter EWS TRANSPORT © DB AG

Und die Idee war gut. Wenig später jedenfalls wurde EWS TRANSPORT in das GEOTECHNOLOGIEN-Programm aufgenommen als Teil des neuen Themenschwerpunkts „Frühwarnsysteme im Erdmanagement“. Ausformulierte Aufgabenstellung für die ersten drei Förderjahre: die Entwicklung und Erprobung einer Echtzeitseismologie für Erdbebeninformationssysteme und Risikominderung für spurgeführte Verkehrssysteme. Schnell war klar, dass es dabei um mehr gehen sollte, als „nur“ Schienenstränge in Detektoren zu verwandeln. „Die Zielsetzung ist, das bestehende System dahingehend zu verfeinern und zu verbessern, indem die aktuellen Fortschritte aus der Geophysik und aus der Informationsverarbeitung integriert werden“, so Alfons Buchmann, wissenschaftlicher Mitarbeiter in Hohneckers Abteilung und Mitglied des EWS TRANSPORT-Teams.

Was das genau bedeutet, zeigen die unterschiedlichen Aufgabenpakete des Projekts, an deren Abarbeitung neben dem Institut für Straßen- und Eisenbahnwesen auch das Geophysikalische Institut der Uni Karlsruhe sowie das Fraunhofer-Institut für Informations- und Datenverarbeitung beteiligt sind. Zusätzlich zur Entwicklung neuer Sensorsysteme findet sich in der „Zu-Erledigen-Liste“ das Erstellen von Notfallplänen, Schadenskatalogen und Gefährdungsanalysen. Schließlich müssen die Daten, die später von den Bahnstrecken kommen, auch in Gegenmaßnahmen umgesetzt werden können.

„Unser Part besteht darin, zunächst einmal einen Schadenskatalog zu erstellen für die unterschiedlichen Infrastrukturkomponenten – also Brücken, Tunnel, gerade Strecke, Dammlage usw.“, erklärt Buchmann. So entstehe eine umfangreiche Datenbank möglicher Zerstörungen, zunächst anhand von Beispielstrecken im erdbebenaktiven Baden-Württemberg. Am Rand des Hohenzollerngrabens und mitten im Rheingraben sammeln die Wissenschaftler Daten zur Infrastruktur, die später dazu dienen sollen, sofort nach einem Ereignis mögliche Schäden abschätzen zu können. Buchmann: „Wir wollen relativ schnell Aussagen etwa darüber treffen können, welche Brücke bei welchem Szenario besonders gefährdet ist.“

Die Minuten danach

Um Vorhersagen zu möglichen Schäden für die Vorwarnung auch nutzen zu können, muss man wissen, wo und mit welcher Geschwindigkeit die Züge im Netz unterwegs sind. Gefährdungsanalyse nennen das die Karlsruher. „In erster Linie geht es dann darum, sagen zu können: ‚Okay, dieser Zug fährt gerade auf ein Brückenbauwerk zu, das vermutlich eingestürzt ist. Der muss als erstes gewarnt bzw. angehalten werden, um einen Unfall zu vermeiden’“, erläutert Buchmann. „Das ist der mehr dynamische Anteil des gesamten Arbeitspaketes. Der erfordert dann auch ein schnelles Informationstechnologiesystem, was dahinter geschaltet ist.“

Wo sich Triebwagen und Waggons gerade befinden, erfährt die Verkehrsleitzentrale dabei von den Schienen. Diese sind, obwohl aus durchgehend geschweißtem Gleis gefertigt, in so genannte Blockabschnitte getrennt. Elektrischer Strom macht den Zug dann ausfindig. Projektleiter Eberhard Hohnecker zum Prinzip: „Wir setzen praktisch einen Schienenstrang unter Strom. Wenn jetzt durch die Zugräder ein Kurzschluss erzeugt wird, dann wissen wir, dass sich der Zug gerade in diesem Abschnitt aufhält.“

 

Durch ein Erdbeben zerrissener Betonpfeiler 


Durch ein Erdbeben zerrissener Betonpfeiler. Schäden der Infrastruktur wie hier nach dem Northridge-Erdbeben 1994 im US-Bundesstaat Kalifornien könnten durch Sensoren erfasst werden und so direkt in die Risikoanalysen der Verkehrsleitzentralen einfließen. © FEMA News Photo


Ob Zugstandort oder seismische Daten, alle Informationen laufen in den Verkehrsleitzentralen zusammen. Hier müssen die Entscheidungen getroffen werden, für die die Zugführer bei mehreren hundert Stundenkilometern Reisegeschwindigkeit keine Zeit mehr haben. Etwa darüber, ob und wo der Verkehr gestoppt wird, Züge auf Sichtgeschwindigkeit gehen oder per von außen eingeleitetem Nothalt zum Stillstand gebracht werden müssen. Welche Streckenabschnitte sind vermutlich zerstört? Welche Brücken überhaupt noch befahrbar? Hier möglichst schnell Antworten zu finden, dabei soll EWS TRANSPORT mit seinen Schadenskatalogen und Gefährdungsanalysen helfen.

Anderthalb Kilometer lange Horchposten

Wenn man sich in Schadenskatalogen bereits ein Bild über die Standfestigkeit von Brücken und Hochtrassen gemacht hat, liegt es dann nicht nahe, im Schlepptau eines neuen Frühwarnsystems auch gleich die Bauwerke selbst der Gefahr anzupassen? Alfons Buchmann wiegt leicht den Kopf: „Das gehört bei uns eher nicht dazu.“ Auf der anderen Seite könne man allerdings mit den in einem solchen Projekt gesammelten Erfahrungen auch Einfluss nehmen auf das Gebiet des erdbebensicheren Bauens. „Wenn man feststellt, dass ein bestimmter Brückentyp besonders gefährdet ist, dann wird man das berücksichtigen. In der Tat gibt es diesen iterativen Ansatz bei dem japanischen UrEDAS-System. Nach dem Erdbeben werden die Erfahrungen ausgewertet und fließen wiederum ein in die Konstruktion von sichereren Bauwerken.“

So geschehen in den Nachwehen des Hanshin-Bebens, das vor fast genau 13 Jahren die Infrastruktur der japanischen Hafenstadt Kobe in Schutt und Asche legte. Selbst für japanische Verhältnisse war es der GAU … und ein Weckruf. So setzten die damals gemessenen Rekordwerte der Erschütterungen neue Maßstäbe bei den Warnsystemen. Das Straßennetz wurde in die Frühwarnung miteinbezogen, das bereits etablierte UrEDAS zum entschlackten und reaktionsschnelleren „compact UrEDAS“ weiterentwickelt, die Baugesetze verschärft, anfällige Teile der Infrastruktur nachgebessert.

Shinkansen-Bahnstation im japanischen Kobe


Shinkansen-Bahnstation im japanischen Kobe. © jpellgen, Flickr.com

Ganz ohne handfeste Eingriffe in die Bausubstanz geht es auch bei EWS TRANSPORT nicht, vor allem, wenn man die Gleise selbst für die Frühwarnung nutzen will. Das Integrieren der Sensoren und die spätere Lauscharbeit derselben funktioniert nämlich eigentlich nur mit einem einzigen System: dem neuartigen „Embedded Rail System“, kurz ERS.

Der Vorteil des ERS gegenüber herkömmlichen Schienen liegt in der Anzahl der verwendeten Bauteile, die bei einem Beben mitschwingen können. Ob das Gleis überhaupt als Detektor genutzt werden kann, hängt nämlich in erster Linie davon ab, ob man die Signale, die vom normalen Zugverkehr kommen, von den seismischen Signalen eines Bebens trennen kann. Bei der Standardschiene erwartet die Detektorohren da eine wahre Flut an Störgeräuschen. „Bei einem normalen diskret gelagerten Gleis haben sie pro Kilometer 55.000 Einzelteile. Und dabei habe ich die Schottersteine sogar nur als ein einziges Element gezählt“, erklärt Hohnecker. „Bei einem ERS haben sie lediglich drei Medien: die Schienen, den Verguss und den Beton – und das auf x Kilometern Bahnstrecke.“

Bei der Verwendung von ERS-Komponenten ist es somit nur noch eine Frage zweier Frequenzbereiche, ob man das Beben heraushört oder nicht. „Bei den Zügen bewegen wir uns in Regionen relativ hoher Frequenzen bis hin zu einigen hundert Hertz. Mit den maximal 30 Hertz von Erdbeben sind wir weit darunter und haben damit eine saubere Trennung im System“, analysiert Eberhard Hohnecker. Wie sauber, das prüfen die Experten momentan bereits mit Körperschallmessungen direkt am Gleis und später an einem noch zu errichtenden Demonstrator. Er wird dann erstmals die gesamte Frühwarnkette simulieren, „von den Informationen, die die Geophysiker liefern über den Schadens- bzw. Gefährdungskatalog bis hin zur eigentlichen Ausführung der Warnung.“

Für den Einsatz in „freier Wildbahn“ sehen die Karlsruher später erst einmal einen gestückelten Einsatz des Warnsystems vor. Der Grund: Der relativ neue ERS-Fahrweg hat sich noch längst nicht überall durchgesetzt, auch wenn niederländische und spanische Schnellzüge bereits über die Schienen rollen, ebenso wie viele Straßenbahnlinien weltweit. Wird EWS TRANSPORT also erst einmal Teil eines Verkehrsnetzes, sollen zunächst in regelmäßigen Abständen 1,5 Kilometer lange Stücke aus den Bahnstrecken herausgetrennt und durch Sensorbestückte ERS-Fahrbahnen ersetzt werden. Hohnecker betont aber, dass man prinzipiell auch sämtliche Streckenkilometer in dieser neuen Form fertigen könne. Ein gewaltiges Sensornetz würde entstehen, deckungsgleich zum Verkehrsnetz, das es beschützt.

In einer wesentlich höheren Dichte, jedoch nach dem gleichen einfachen Grundprinzip wie bei UrEDAS und allen anderen modernen Frühwarnsystemen verrichten die Sensoren später dann ihren Dienst. Sie nutzen den Zeitvorteil durch die unterschiedlichen Geschwindigkeiten von Funkwarnung und Erdbebenwelle sowie die Tatsache, dass Erdbeben stets als Primär- sowie als Sekundärwellen daherkommen. Die ersteren sind schneller, erreichen die Erdoberfläche daher früher und lösen die Warnsysteme aus – noch bevor die zerstörerischen Sekundärwellen eintreffen.

Hat EWS TRANSPORT ein Signal seismischen Ursprungs erst einmal ausgemacht, muss alles ganz schnell gehen. Doch welche Informationen können überhaupt aus den im Fahrweg aufgefangenen Daten gewonnen werden? Bereits nach drei Sekunden steht immerhin fest, wie stark das Erdbeben war und welches Zerstörungspotenzial es hat. Einige Sekunden später, wann die zerstörerischen Sekundärwellen welche Abschnitte des Zugnetzes zuerst erreichen. Und nur Minuten nach dem Beben stehen die ersten „shake maps“ zur Verfügung, Karten, die in bunten Farben die Stärke der Bodenerschütterungen metergenau abbilden und so zusammen mit den Schadenskatalogen und Gefährdungsanalysen anzeigen, wo und wie schwer das Netz vermutlich beschädigt ist.

Das System ruht nie

Es liegt in der Natur des Systems, dass EWS TRANSPORT zunächst nur für das Zugnetz bestimmt ist. „Beim Schienenverkehr herrschen besondere Randbedingungen vor, etwa die langen Bremswege. Was im umgekehrten Fall bedeutet, dass hier schnell und früh gewarnt werden muss, um Unfälle zu vermeiden“, erklärt Alfons Buchmann. „Auf der anderen Seite gibt es hier eben auch die Möglichkeit, von außen einzugreifen und Frühwarnmaßnahmen direkt umzusetzen, was sich im Individualverkehr wesentlich schwieriger gestalten dürfte.“

Trotzdem ist die Nutzung bestimmter Projektteile für andere Verkehrsarten nicht völlig ausgeschlossen. In Japan beispielsweise gibt es solche Verbindungen zwischen Erdbebenwarnung und Verkehrsleitsystemen für die Stadtautobahnen bereits. Buchmann: „Man könnte sich vorstellen, dass durch die Signalisierung dann auf der Straße die Geschwindigkeiten begrenzt werden, dass die Autofahrer gezwungen werden, die Geschwindigkeit zu reduzieren, oder ihnen signalisiert wird, vor einer einsturzgefährdeten Hochstrasse zu halten. Maßnahmen eben, die verhindern, dass Schlimmeres passiert.“

Erst einmal konzentriert man sich jedoch auf den Zugverkehr innerhalb der tektonischen Risikozonen der Erde. Rund 20.000 Mal bebt es hier jedes Jahr, und meist in Ländern, die auf keinerlei Warnsysteme zurückgreifen können. Sie könnten die Interessenten sein, die in wenigen Jahren ein ausgereiftes und marktfähig gemachtes EWS TRANSPORT in ihr bestehendes Gleisnetz integrieren. Und dass nicht nur, um ihre Züge zu schützen, sondern auch, um ihre Infrastruktur im Auge zu behalten. Neben dem Charakter eines Warnsystems hat das Projekt der Karlsruher Entwickler nämlich noch eine andere wichtige Eigenschaft: die permanente Überwachung von Bauwerken und Schienentrassen durch die gleichen Sensoren, die auch die Frühwarnkette starten. Das System ruht nie.

„In Phasen, in denen keine Erdbebenwarnung vorherrscht, zieht man trotzdem Nutzen aus dem System, weil man zu jedem Zeitpunkt über den Zustand der Infrastruktur und mögliche Abweichungen informiert wird“, erklärt Buchmann. Neuronale Netze, in die die Sensoren integriert sind, könnten außerdem aus vergangenen Schadensereignissen lernen und die Prognosen über den Zustand der Gleise nach einem Erdbeben immer weiter verfeinern. Eine wichtige Neuerung gegenüber dem UrEDAS-System, bei dem jede Messstation autark arbeitet, ohne sich in einem Informationsnetzwerk mit vielen anderen Stationen austauschen zu können.

Ausgiebig Gelegenheit, über die Unterschiede, aber auch Gemeinsamkeiten beider Frühwarnsysteme mit den japanischen Fachleuten zu sprechen, erhalten Eberhard Hohnecker und sein Team übrigens schon bald. Im Frühjahr dieses Jahres besuchen sie UrEDAS-Erfinder Yutaka Nakamura. In Karlsruhe und natürlich auch beim Förderprogramm GEOTECHNOLOGIEN erhofft man sich für die Zukunft eine fruchtbare Zusammenarbeit mit den Japanern, die sich bereits in dieser frühen Phase sehr interessiert an dem neuen Projekt aus Deutschland zeigen. Mehr als 23.000 Kilometer Schienennetz durchziehen das Land der aufgehenden Sonne, weltweit sind es mehr als 1,1 Millionen – Platz genug wäre also für den größten Erdbebensensor der Welt.

TM, iserundschmidt 01/2008


Das Projekt „Early Warning System TRANSPORT“ wird im Rahmen des GEOTECHNOLOGIEN-Schwerpunkts „Frühwarnsysteme im Erdmanagement“ gefördert. Informationen rund um das Projekt finden Sie hier und selbstverständlich auf den Internetseiten der GEOTECHNOLOGIEN.

Auch in Kalifornien bebt die Erde des Öfteren. Und auch hier sind immer wieder enorme Schadenssummen zu beklagen, die auf zerstörte Infrastruktur zurückzuführen sind. Ein gutes Beispiel ist das Loma-Prieta-Beben, das 1989 die Bucht von San Francisco trifft. Mehr dazu hier auf planeterde.

Mehr zum japanischen Hochgeschwindigkeitszug Shinkansen lesen Sie hier.

Verweise
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