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Vulkane im Labor

Geologie.- Wenn ein Vulkan ausbricht, ist das ein imposantes aber gefährliches Schauspiel. Ein internationales Wissenschaftlerteam will nun besser verstehen, was genau dabei im Krater abläuft. Labormodelle sollen für mehr Klarheit sorgen.

Von Viola Simank | 27.09.2010
    Die Versuchshalle des Instituts für Sicherheitsforschung wirkt mit ihrem Gewirr aus dicken und dünnen Rohren, Leitungen und Druckbehältern fast wie ein kleines Kraftwerk. Doch hier auf dem Gelände des Forschungszentrums Dresden-Rossendorf wird kein Strom erzeugt, in den Rohren untersuchen Uwe Hampel und seine Kollegen Strömungen aus Flüssigkeiten und Gasen. Bisher haben sie das vor allem für Industrieanlagen getan, wo solche Gemische unter anderem in Kühlkreisläufen vorkommen. Seit einem Jahr aber interessiert sie auch die brodelnde Masse im Schlot eines Vulkans:

    "Nun sind das ähnliche Strömungen wie wir sie in technischen Anlagen auch finden: Das sind Gemischtströmungen aus Gas und Flüssigkeiten, Komponenten, die sich nicht miteinander vermischen können. Ein Beispiel dafür sind Dampf-Wasser-Strömungen, wie wir sie in Kraftwerksanlagen vorfinden. Und solche Stoffgemische sind durch eine relativ komplexe komplizierte Strömungsphysik gekennzeichnet, die nicht leicht zu beschreiben und zu modellieren ist."

    Hinzu kommt, dass in einem Vulkankrater die Bedingungen sehr viel extremer sind. Das zähflüssige Gestein enthält Gase wie Wasserdampf. Die sind tief unten noch flüssig, da der Druck dort sehr hoch ist. Mit dem Magma steigen sie auf, der Druck nimmt ab und sie verwandeln sich in Gas. Die entstehenden Gasblasen dehnen sich aus, bis es schließlich zur Eruption kommt. Die Rossendorfer Wissenschaftler sollen nun herausfinden, welche Strukturen die Strömungen mit dem Magma-Gas-Gemisch haben:

    "In welchen Mengen tritt Gas mit der Magma aus dem Krater aus, wie groß werden die Dampf- oder Gasblasen dort drin. Wachsen die zusammen, entwickeln sich Großblasen, die starke Eruptionen hervorrufen."

    Um solche gemischten Strömungen zu untersuchen, hat das Institut für Sicherheitsforschung bereits vor einigen Jahren sogenannte Gittersensoren entwickelt. Sie erlauben einzigartige Einblicke in die Strömungen. Der Sensor besteht aus einem feinmaschigen Drahtgitter, das in einen runden Edelstahlrahmen eingespannt ist. Die Konstruktion wird in der Versuchsanlage in die Rohre eingebaut, dann steigt dort das Dampf-Wasser- Gemisch auf und passiert das Sensor-Gitternetz, erklärt Uwe Hampel:

    "Und dessen Prinzip besteht also darin, das wir hier einen Satz von Drahtelektroden haben, die über den Querschnitt des Rohres gespannt werden. Sie sehen, die Drähte laufen in vertikaler und horizontaler Richtung. In den Kreuzungspunkten berühren sie sich aber nicht, sondern haben einen kleinen Abstand. Und in den Kreuzungspunkten wird jetzt mittels einer Spezialelektronik die elektrische Leitfähigkeit oder eine andere elektrische Eigenschaft des strömenden Mediums gemessen."

    In Sekundenschnelle sammelt so der Sensor unzählige Daten. Aus ihnen lässt sich erkennen, wie die Gasblasen ihre Form verändern, wie sie zerfallen oder zusammenwachsen. Der Computer macht die Daten dann sichtbar: Im Längsschnitt des Rohres erkennt man große und kleine Blasen in verschiedenen Farben, die sich langsam nach oben bewegen. Für die Analyse der Vulkanströmungen nutzen die Wissenschaftler das gleiche Prinzip wie für ihre anderen Messungen: Sie lassen in einem Rohr eine Flüssigkeit aufsteigen, die mit Gas versetzt wird:

    "Wir haben festgestellt, das sich bei zäheren Medien ähnlich wie hier Strömungsstrukturen einstellen, die von den Gasmengen, die man durchsetzt, abhängt, aber sich generell größere Gasblasen bilden. Wir können natürlich nicht im flüssigen Gestein messen, das schaffen unsere Sensoren nicht. Deswegen nutzen wir eine Flüssigkeit, die ähnliche Zähigkeiten hat, aber eben im Labor auch handhabbar ist."

    Es ist eine Art Glukosesirup, in das sie das Gas einperlen lassen. Die am Projekt beteiligten britischen Vulkanforscher wollen von ihren deutschen Kollegen vor allem wissen, wie sich die Strömungen und Gasblasen im Vulkanschlot verändern. Davon erwarten sie sich Rückschlüsse, wie die Gase die Stärke der Vulkanausbrüche beeinflussen und das Klangbild einer Eruption bestimmen. So hoffen sie, in einigen Jahren aus dem Gebrodel und Geblubber am Vulkankrater auch akustisch erkennen zu können, wie heftig der Berg Feuer speien wird.