Glasfaserkabel liegen bereits vor fast jeder Küste auf dem Meeresboden – und sie könnten bald über die Menschen an Land wachen. Ein Team der Universität Alcalá hat im Projekt SAFE gezeigt, dass sich eine einzige Faser in ein Netz aus Tausenden von Sensoren verwandeln lässt, die einen herannahenden Tsunami erfassen, und das um ein Vielfaches günstiger als Bojen oder Seismometer am Meeresgrund. Eine Geschichte über Physik, das Meer und eine Kostenrechnung – und am Ende kannst du prüfen, ob du wie ein Entwickler von Warnsystemen denkst.
Tsunamis gehören zu den Naturereignissen, vor denen Forschende den größten Respekt haben. CORDIS beschreibt sie als eine der verheerendsten Naturgewalten, die immense Personen- und Sachschäden verursacht und zudem notorisch schwer vorherzusagen ist. Entscheidend ist daher weniger die Vorhersage als die schnelle Bestätigung, dass eine Welle tatsächlich anrollt, und die Weitergabe dieser Information an die Behörden.
Werkzeuge dafür gibt es. Das Problem: Sie sind teuer und funktionieren nicht immer so, wie sie sollten. Miguel González Herráez von der Universität Alcalá sagt es offen: „Obwohl es einige Frühwarntechnologien auf dem Markt gibt, wie zum Beispiel DART-Bojen und Seismometer-Anordnungen am Meeresboden (OBS), sind diese mit hohen Bereitstellungs- und Instandhaltungskosten verbunden und weisen eine begrenzte Zuverlässigkeit auf.“
Das vom Europäischen Innovationsrat finanzierte und von der Universität Alcalá koordinierte Projekt SAFE hat sich ein Ziel gesetzt, das fast wie ein Rätsel klingt: ein kostengünstiges und überaus zuverlässiges Frühwarnsystem für Tsunamis bereitzustellen, ohne dafür neue Infrastruktur zu benötigen. Die Antwort lag buchstäblich unter Wasser.
„Unser Konzept nutzt bestehende Unterwasser-Glasfaserkabel und verwandelt sie in einen Tsunami-Detektor, der rund um die Uhr in Echtzeit funktioniert“, erklärt Herráez. Statt weitere Geräte auf dem Meeresgrund zu installieren, wollen die Forschenden also nutzen, was ohnehin schon dort liegt.
Herzstück der Lösung ist die Technologie der verteilten akustischen Sensorik, kurz DAS. Sie nutzt Licht, um entlang der gesamten Länge eines Unterseekabels verteilte akustische Sensoren zu erzeugen. So wird aus einer einzigen Faser eine Anordnung aus Tausenden von Sensoren, die jeweils nur wenige Meter voneinander entfernt sind. Wichtig dabei: Das Kabel selbst muss in keiner Weise verändert werden.
Der Ansatz hat noch einen Vorteil – die Reichweite. „Da entlang praktisch jeder Küste Unterwasser-Glasfaserkabel verlaufen, birgt diese Lösung das Potenzial, das verfügbare Netzwerk von Offshore-Sensoren massiv zu erweitern“, betont der Forscher aus Alcalá.
Das Projekt hat bestätigt, dass seine Technologie Veränderungen des Meeresspiegels – einen starken Indikator für Tsunamis – mit einer Genauigkeit von weniger als 20 cm erfassen kann. In der Praxis bedeutet das: Behörden können einen Tsunami bereits bestätigen, wenn er noch 50 km vor der Küste ist.
Dabei will es das Team nicht belassen. „Wir sind davon überzeugt, dass wir bei einer weiteren Verbesserung dieser Technologie die 100-km-Marke erreichen können – was mehr Zeit zur Vorbereitung und potenziell mehr gerettete Leben bedeutet“, sagt Herráez.
Die zweite Stärke des Systems SAFE ist das Geld. Seine Investitions- und Betriebskosten sind mindestens zehnmal geringer als bei Seismometer-Anordnungen am Meeresboden und DART-Bojen. Der Vorsprung setzt sich aus mehreren Elementen zusammen:
Herráez fasst es so zusammen: „Wenn wir dazu noch berücksichtigen, dass es sich bei diesen anderen Technologien um Punktsensoren handelt und dass das SAFE-System mit einem einzigen Gerät Tausende von Messwerten liefert, wird deutlich, dass unsere Technologie viele technische und wirtschaftliche Vorteile bietet.“
Der niedrige Preis ist hier nicht nur ein geschäftliches Argument. Höhere Zuverlässigkeit bei niedrigeren Kosten ist besonders für Entwicklungsländer an der Küste attraktiv. Sie sind oft am stärksten von Tsunamis gefährdet, verfügen aber nicht über die notwendigen Ressourcen, um herkömmliche Frühwarnsysteme einzuführen.
„Unsere Lösung ist äußerst vielseitig, da sie sowohl zur erheblichen Verbesserung der Tsunami-Warnkapazitäten von Industrieländern als auch als kostengünstige Alternative für jene Regionen verwendet werden kann, die sich den Einsatz und die Instandhaltung von DART-Bojen oder OBS-Anordnungen nicht leisten können“, so das Fazit von Herráez. Projektpartner wie Aragon Photonics Labs arbeiten nun daran, die Sensorlösungen von SAFE weiterzuentwickeln und schließlich auf den Markt zu bringen.
SAFE ist ein gutes Beispiel dafür, wie moderne Sicherheitsforschung aussieht. Es geht dabei nicht nur um Einsatzkräfte und Abläufe, sondern auch um die Physik des Lichts, Signalverarbeitung und Wissen über das Meer. Wer Technik, Naturwissenschaften oder Krisenmanagement studiert, sieht hier, wie nah sich diese Fächer manchmal überraschend kommen.
Lohnend ist auch der Blick auf die Herangehensweise der Forschenden. Statt zu fragen, was noch gebaut werden muss, haben sie gefragt, wie sich das Vorhandene nutzen lässt. Diese Denkweise hilft bei der Abschlussarbeit, im Teamprojekt und im ersten Job. Außerdem zeigt die Geschichte den Weg von einer Idee an der Universität über eine Förderung durch den Europäischen Innovationsrat bis zu einem Unternehmen, das Forschungsergebnisse in ein Produkt verwandeln will.
Ein Team der Universität Alcalá will Unterwasser-Glasfaserkabel in einen Tsunami-Detektor verwandeln, der rund um die Uhr arbeitet. Die DAS-Technologie erfasst Veränderungen des Meeresspiegels mit einer Genauigkeit von weniger als 20 cm und ermöglicht es, eine Welle 50 km vor der Küste zu bestätigen – das nächste Ziel sind 100 km. Die Investitions- und Betriebskosten liegen mindestens zehnmal unter denen von Bojen und Seismometern. Das gibt auch Ländern eine Chance, die sich teuren Küstenschutz heute nicht leisten können.
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