Durchdrehen für die Wissenschaft

Unterirdisch hinter einer riesigen Metallt¨¹r verbirgt sich in einem hellen und runden Raum das Juwel des Geotechnical Centrifuge Centers (GCC): die blaue, neun Meter grosse Zentrifuge. Beim Bau der Forschungseinrichtung wurden keine Aufw?nde gescheut. Um Interferenzen mit hochsensiblen Messungen in den Labors rund um das GCC zu vermeiden, wurde die Zentrifuge in ein Betongeh?use verbaut, welches auf vier Stahlfedersystemen lastet. Zwar ist die leistungsst?rkste Zentrifuge Europas bereits seit Juni 2023 im Einsatz der Wissenschaft, aber erst heute feiert die ETH Z¨¹rich diese aussergew?hnliche Infrastruktur an einem aussergew?hnlichen Datum.

Auf diesen Tag hat der Professor und Vorsteher des Departements Bau, Umwelt und Geomatik an der ETH Z¨¹rich, Ioannis Anastasopoulos, lange warten m¨¹ssen. Dass die Einweihung der Zentrifuge genau auf den 17. Januar 2025 f?llt, ist aber keinesfalls ein Zufall. Zum einen wollte man bei der Einweihung nicht mit leeren H?nden dastehen, sondern Forschungsergebnisse vorweisen, zum anderen hat die Wahl dieses Datums auch pers?nliche Gr¨¹nde. Denn heute j?hrt sich das Erdbeben von Kobe in Japan zum 30. Mal. Zur Zeit der Katastrophe studierte Anastasopoulos Bauingenieurwissenschaften. Dieses Ereignis stellte die Weichen f¨¹r seine weitere Karriere: Er entschied sich, Erdbeben zu erforschen.

Er und sein Team erforschen mit der Zentrifuge, wie sich Bauwerke mit ihren Fundamenten und die Bodenbeschaffenheit verhalten, wenn sie verschiedensten Naturgewalten ausgesetzt sind. Dabei befestigen sie Modelle der Bauten an einem Ende des Tr?gers, das beweglich ist. Anschliessend werden die Modelle so stark beschleunigt, dass sich die G-Kr?fte, die auf das Modell einwirken, vervielfachen. Bis zu 100 g ¨C also der hundertfachen Erdanziehungskraft ¨C sind die Modelle ausgesetzt. Denn der Boden in herunterskalierten Modellen stellt die Realit?t verzerrt dar, weil das Spannungsniveau des Bodens im Modell nicht mit dem der realen Welt ¨¹bereinstimmt. Die extremen G-Kr?fte merzen diese Gegebenheit aus, indem sie Spannungen im Boden des Modells wieder auf das Niveau des realen Problems bringen. Nur so lassen sich realit?tsnahe Ergebnisse erzielen.

Aus Alt mach Neu ¨C recycelte Forschungsinfrastruktur

Was sich als topmoderne Forschungsinfrastruktur pr?sentiert, hat in Wahrheit schon einige Umdrehungen hinter sich. Die ETH hat sich bewusst entschieden, keine neue Zentrifuge zu erwerben, sondern ein ausgedientes Modell der Universit?t Bochum abzukaufen. Zwar musste die gesamte Anlage ¨¹berholt und mit neuen Teilen ausgestattet werden, jedoch war dieser Weg ungef?hr ein Viertel so teuer wie eine neue Zentrifuge mit derselben Leistung anzuschaffen.

Eine solche Zentrifuge instand zu setzen und zusammenzubauen, ist aber kein Kinderspiel. W?hrenddem das Forschungslabor am H?nggerberg gebaut wurde, kam die Coronapandemie, die zu diversen Unterbr¨¹chen der Lieferkette und weiteren Verz?gerungen f¨¹hrte. Trotz aller schwierigen Umst?nde konnte die Zentrifuge aber nur ein Jahr sp?ter als geplant in Betrieb genommen werden. F¨¹r Anastasopoulos klar ein Erfolg: ?Phasenweise waren wir nicht mehr sicher, wann die Zentrifuge tats?chlich laufen w¨¹rde. Dazu hatten wir eine ganze Reihe von Projekten, die davon abhingen. Umso gr?sser ist die Freude, dass wir nun erste Versuchsergebnisse vorweisen k?nnen.?

Die Zentrifuge dreht ¨C auch an der Zeit

Heute ist die neue ?alte? Zentrifuge seit rund eineinhalb Jahren im Betrieb und sie l?uft auf Hochtouren. In der Regel werden ein bis drei Tests pro Woche durchgef¨¹hrt. Dass die Experimente durchgef¨¹hrt werden k?nnen und die Zentrifuge einwandfrei l?uft, daf¨¹r sorgen zehn bis f¨¹nfzehn Forschende und Techniker rund um Anastasopoulos.

Wie oft die Zentrifuge ihre Runden dreht, ist immer von der Komplexit?t des getesteten Modells abh?ngig. Das Modell vorzubereiten, beansprucht am meisten Zeit, weil die Gegebenheiten des Bodens und der Bauwerke m?glichst realit?tsnah nachempfunden werden m¨¹ssen. Faszinierend an der Zentrifuge: Durch die zus?tzlichen G-Kr?fte k?nnen Auswirkungen ¨¹ber Jahre hinweg innerhalb einer sehr kurzen Zeit nachempfunden werden.

Windparks, Br¨¹cken, Brienz und Leimbach

Beispiele f¨¹r konkrete Projekte gibt es viele. Bei einem, das gerade im GCC durchgef¨¹hrt wird, geht es um die Bodenverankerung von Offshore-Windparks. Weit draussen im Meer sind die Windr?der diversen Naturgewalten ausgesetzt. Den St¨¹rmen und Erdbeben ausgesetzt, kann es vorkommen, dass sich die Konstruktion neigt. Selbst Neigungen von 0,5 Grad k?nnen die mechanischen Systeme besch?digen und somit auch die Lebensdauer der Anlage einschneidend verk¨¹rzen.

Offshore-Windparks sind in der Schweiz eher selten anzutreffen. Ganz im Gegenteil zu Br¨¹cken. Von denen gibt es in der Schweiz einige und viele davon haben bereits eine beachtliche Anzahl an Jahren auf dem Buckel. Die ¨¹berwiegende Mehrheit (¨¹ber 90%) wurde vor den 90er-Jahren gebaut, und zwar ohne jegliche oder nur mit einer einfachen erdbebensicheren Auslegung, die eine Nachr¨¹stung erfordert. W?hrend die Nachr¨¹stung von Br¨¹ckenpfeilern relativ einfach ist, kann die Verst?rkung von Fundamenten schwierig, kostspielig und zeitaufw?ndig sein. Dies gilt insbesondere f¨¹r Pfahlgruppen, die f¨¹r Br¨¹cken verwendet werden. Hier kommt die Forschungsarbeit von Anastasopoulos und seinem Team ins Spiel: ?Unsere Zentrifugentests sind f¨¹r die Sicherheit unserer Verkehrsinfrastruktur von entscheidender Bedeutung. Die Zentrifugenexperimente k?nnen uns zu innovativen L?sungen f¨¹hren, die den CO₂-Fussabdruck und die Kosten f¨¹r die Nachr¨¹stung von Fundamenten minimieren und gleichzeitig die Erdbebensicherheit verbessern.?

Die Bodenbewegungen in Brienz, Graub¨¹nden, die ein ganzes Dorf bedrohen, sowie Leimbach in Z¨¹rich besch?ftigen viele Forschende. Hier k?nnte die Zentrifuge helfen, die Ursachen und Prozesse nachzuvollziehen, die zu solch massiven Bewegungen f¨¹hren.

Die vielseitigen Forschungsthemen und Einsatzm?glichkeiten zeigen, dass die Zentrifuge zuk¨¹nftig rege genutzt werden wird.