17. Nov. 2016

Die Benediktsbasilika ist beim Erdbeben vom 30.10.2016 fast völlig zerstört worden.

Historische Bauwerke sind gegen Erdbebenwellen kaum zu schützen. Die notwendigen Eingriffe in die Gebäudestruktur zerstören in der Regel den historischen und künstlerischen Wert. Italienische Physiker haben jetzt ein alternatives Konzept mit Computersimulationen getestet und darüber im "New Journal of Physics" berichtet. Dabei wird das gesamte Gebäude mit einem Pufferring umgeben, der die Energie der Erdbebenwellen auf ein tragbares Maß abschwächt.

Nur noch die Fassade im Stil der mittelitalienischen Gotik und ein Teil des Kirchenschiffs aus dem 13. Jahrhundert sind von der Basilika des heiligen Benedikts in Norcia übrig. Den Rest der Kirche mitsamt der barocken Innenausstattung und dem Glockenturm hat das Erdbeben vom 30. Oktober zerstört. Der Geburtsort des Ordensgründers hat viele historische Gebäude verloren: Neben der Benediktsbasilika wurden auch die Erlöserkirche und die Marien-Kathedrale, die zweite Bischofskirche des Erzbistums Spoleto-Norcia, zerstört. Das umbrische Städtchen ist in diesem Jahr kein Einzelfall, schon im August wurde rund 25 Kilometer entfernt der mittelalterliche Ort Amatrice durch ein 6,2-Beben zerstört.

Italien gehört in Europa zu den am stärksten von Erdbeben gefährdeten Ländern, gleichzeitig ist sein kulturelles Erbe einzigartig. Die architektonischen Schätze der Halbinsel gehören daher regelmäßig zu den Opfern, wenn wieder einmal die Erde bebt. "Solche Schäden kann man einfach nur hinnehmen", sagt Joachim Ritter, Geophysiker am Karlsruhe Institut für Technologie, "meines Wissens nach gibt es keine Konzepte, existierende und vor allem historisch wichtige Gebäude zu schützen." Die Gebäude könnten zwar gegen Erdbebenwellen ertüchtigt werden, allerdings ist nach einem solchen "Retrofitting" von der historischen Bausubstanz kaum noch etwas übrig. "In solchen Fällen müsste man also außerhalb dieser Bauwerke einen Schutzring oder ähnliches aufbauen", so Ritter.

Ein solches Konzept haben jetzt italienische Physiker und Materialwissenschaftler im "New Journal of Physics" vorgeschlagen. "Wir wollen verhindern, dass die seismischen Wellen die Gebäude erreichen", erklärt Federico Bosia, Forscher am Institut für Bionik und Graphen-Nanomechanik der Universität Turin. Bosia und seine Kollegen von den Universitäten Trient und Le Havre sehen eine Art Palisadenzaun aus Schächten oder Pfählen vor, die in mehreren konzentrischen Ringen um das zu schützende Objekt in die Erde gepflanzt werden. "Eine der einfachsten und möglicherweise effektivsten Lösungen wären Bohrlöcher mit einem kreuzförmigen Querschnitt“, sagt Bosia, „aber wir haben auch mit Erde gefüllte runde Bohrlöcher untersucht, oder solche mit einem gummibeschichteten Kern aus Metall oder Zement." Die Bohrlöcher sind in genau festgelegten Abständen verteilt und können dann, so die Idee, die eintreffenden Erdbebenwellen reflektieren. Diesen Effekt hätten etwa die Bohrlöcher mit kreuzförmigem Querschnitt. Bei den Installationen mit einem gummibeschichteten Kern wird dagegen der Kern von den Wellen in Schwingungen versetzt. "Dadurch schwächen sie die seismische Energie ab", sagt Bosia. Eine solche Installation könnte einzelne Gebäude schützen, nach seiner Meinung ist sie aber auch für den Schutz ganzer Zonen, etwa der historischen Zentren italienischer Städte, geeignet.

Historische Starkbeben in Mittelitalien.
Bild: INGV
Bebentätigkeit in Italien nach dem starken Beben vom 30.10.2016.
Bild: INGV
Intensitätskarte des Erdbebens vom 30.10.2016.
Bild: USGS
Die tektonischen Verhältnisse auf der Apenninen-Halbinsel.
Bild: GFZ Potsdam

"Letztlich ist es das gleiche Prinzip, das auch hinter den Tarnkappen steckt, die Physiker inzwischen bauen können", meint Joachim Ritter, der nicht zu Bosias Team gehört, "da sind es dann eben elektromagnetische Wellen." Seit einigen Jahren experimentieren Wissenschaftler mit künstlichem sogenanntem Metamaterial, das meist aus regelmäßig sich wiederholenden Strukturen besteht und hinter dem sie Objekte verschwinden lassen können. Die Strukturen schlucken die Wellen entweder oder leiten sie unmerklich um das Objekt herum. Das Problem: Die Tarnkappen funktionieren immer nur für eine bestimmte Wellenlänge. Das ist bei Radaranlagen relativ unproblematisch, weil diese nur auf einer geringen Zahl von Frequenzen senden. Um Objekte im gesamten sichtbaren Licht und damit für menschliche Augen unsichtbar zu machen, müssten extrem komplexe Strukturen gebaut werden, die das gesamte Spektrum zwischen Infrarot und Ultraviolett abdecken. Tatsächlich spornt diese Herausforderung die Physiker nur an, auf dem Weg zur umfassenden Tarnkappe sind sie schon ein beträchtliches Stück vorangekommen.

Die Übertragung von der Mikroebene der Licht- auf die Makroebene der Erdbebenwellen steckt dagegen noch viel weiter in den Anfängen. Federico Bosia und seine Kollegen haben ihr Konzept bislang nur im Computer durchgespielt, dort allerdings in dreidimensionalen Simulationen und, wie sie sagen, mit so vielen Varianten wie bislang noch niemand zuvor. Dennoch ist schon erkennbar, wie groß die Herausforderungen für seismische Schilde sind. Der Durchmesser der schützenden Schächte hängt direkt von der Länge der Erdbebenwellen ab. "Für sandige Untergründe haben wir typische Durchmesser von zehn Metern für die simplen Bohrlöcher ermittelt und von zwei Metern für die Installationen mit Kernen", erklärt Bosia. Da tiefgestaffelte Schachtreihen nötig sind, ergibt sich schnell ein Platzproblem. Die Herstellungskosten eines seismischen Schildes sollen sich dagegen nach Bosias Angaben im Rahmen halten - zumindest wenn man die immensen Kosten eines Bebenschadens zum Vergleich heranziehe.

KIT-Experte Joachim Ritter sieht das Konzept daher erst in ferner Zukunft kommen. "Im Moment ist es für diese Größenordnung an Bodenbewegung und an Gebäuden noch weit davon entfernt realisiert zu werden", so seine Einschätzung. Die nächsten Schritte sollen nach Angaben Federico Bosias daher herunterskalierte Modellversuche umfassen, in denen miniaturisierte Schildinstallationen Gebäudeminiaturen gegen Erdbebenwellen schützen sollen. Doch selbst damit stünde das Konzept erst am Beginn. Denn die Realität sieht wesentlich komplexer aus, als die Computersimulationen oder Rütteltischversuche.

Italien mit seiner komplexen Geologie ist da das beste Beispiel. Mit dem Apennin durchzieht ein Gebirgszug mit festem kristallinem Gestein die Halbinsel, der viele sedimentgefüllte Täler hat. "Die meisten Städte stehen auf den Talfüllungen", erklärt Ritter, "und gerade in Mittelitalien werden die Erdbebenwellen von den Gebirgszügen in kleinere Sedimentbecken oder Täler reflektiert." Das soll heißen: Je nach Standort des Bebenherdes kommen die seismischen Wellen aus unterschiedlichen Richtungen und mit den unterschiedlichsten Wellenlängen. "Aber genau darauf müsste ich solch eine Schutzeinrichtung abstimmen, weil der Effekt eben nur für bestimmte Wellenlängen gilt und für bestimmte Einfallsrichtungen", so Ritter.

Dennoch plädiert der Experte vom Karlsruhe Institut für Technologie dafür, solche Ansätze weiterzuverfolgen. "Bei den Tarnkappen der Physiker hätte man vor 20 Jahren wahrscheinlich auch gesagt: Das schafft ihr nicht! Jetzt sind die in greifbarer Nähe. Ich denke, auch so sollte man jetzt an die seismischen Schilde herangehen." Der Schwerpunkt von Forschungsförderung und Investitionstätigkeit müsse nach wie vor auf der konventionellen Ertüchtigung von Gebäuden gegen Erdbebenwellen liegen, doch weit in die Zukunft reichende Forschung wie die an seismischen Schilden solle deshalb nicht ausgetrocknet werden. Die italienische Arbeitsgruppe um Federico Bosia sitzt derweil bereits auf dem Trockenen. Mangels Forschungsgelder können die Wissenschaftler die nächste Stufe ihrer Versuche – Tests mit herunterskalierten Modellen – nicht starten. "Wir haben zwar Förderanträge gestellt", meint der Physiker aus Turin, "aber wir waren nicht erfolgreich." Auf Interesse sei das Projekt allerdings gestoßen.