Das Innere der Erde im Weltraum simuliert
Als am vergangen Wochenende das Shuttle von der Internationalen Raumstation zurückkehrte, brachte es ein bisher einmaliges Experiment zur Erde zurück: eine Kugel der Uni Cottbus, mit der auf der Raumstation die Bewegungen im flüssigen Kern der Erde simuliert wurden. VDI nachrichten, Cottbus, 3. 4. 09, moc
Wollen Wissenschaftler wissen, was in den Tiefen der Erde passiert, sind sie bisher weitgehend auf numerische Simulationen angewiesen. Denn selbst wenn es gelänge, Sonden gut 4000 km tief in den flüssigen Teil des Erdkerns zu bringen, die bis zu 5000 0C heißen Temperaturen würden diese kaum überstehen.
Aber es gibt eine andere Möglichkeit: Weg von der Erde, raus in den Weltraum.
Diesen Weg hat ein Team um Christoph Egbers, Inhaber des Lehrstuhls für Aerodynamik und Strömungslehre an der Uni Cottbus, gewählt. Sie haben den den Erdkern im Kleinen nachgebaut und ihn in das europäische Weltraumlabor Columbus geschickt, das in 400 km Höhe – angedockt an die Internationale Raumstation (ISS) – um die Erde fliegt. Geoflow heißt das Experiment.
Dieser Erdkern ist eine Kugel, kaum größer als ein Fußball, eingepackt in ein Gehäuse von den Maßen eines Bierkastens. Zusätzlich untergebracht in dem Gehäuse ist als bildgebendes Verfahren ein Interferometer (siehe Kasten).
Ziel ist es, ausschließlich die Konvektionen in dem flüssigen, äußeren Erdkern zu simulieren, nicht die im Erdmantel.
Die Experimentiervorrichtung besteht aus einer inneren Kugel, die den festen Erdkern darstellt und aufheizbar ist. In einem den Verhältnissen im Erdinneren entsprechenden Abstand umschließt eine Glaskugel diesen Kern. Das Ganze wird von einer zweiten Glaskugel umschlossen.
Der Zwischenraum zwischen Kern und erster Glaskugel ist mit einem hoch viskosen Silikonöl gefüllt, der Zwischenraum zwischen erster und zweiter Glaskugel mit einer Kühlflüssigkeit. So lässt sich das Öl vom Zentrum her erhitzen, nach außen hin abkühlen – so, wie die Prozesse im Erdinnern verlaufen. Das Ganze rotiert dann noch um eine „Erdachse“. Die Bewegungen des Öls in der Glaskugel werden vom Interferometer aufgenommen.
Was aber steckt dahinter? „Vor allem“, so Egbers, „treiben wir Grundlagenforschung. Denn fast alles, was wir bis heute vom Inneren der Erde zu wissen glauben, beruht auf numerischen Simulationen. Wenn aber die Daten des Geoflow-Experiments mit denen der Simulationen vergleichbar sind, dann können wir uns mit berechtigter Zuversicht weiter auf die numerischen Analysen stützen.“
Es gibt auch einen handfesteren Grund. In regelmäßigen Abständen – je nach Berechnungen alle 100 000 bis 250 000 Jahre – kommt es zu einem so genannten Polsprung: einer Umkehr des magnetischen Feldes der Erde.
Diese Umpolungen kann man in erstarrtem Magma auf der Erde nachweisen. Fakt ist nun, dass die letzte Umpolung an die 800 000 Jahre zurückliegt – eine neue dürfte deshalb – zumindest statistisch gesehen – bevorstehen. Und sie könnte schnell kommen. „Das sind keine linearen Entwicklungen“, erläutert Lothar Jehring, beim Geoflow-Experiment für die Messkampagnen zuständig, „das kann unter Umständen sehr schnell passieren.“
Das aber hieße, dass für eine Übergangszeit das schützende Magnetfeld der Erde weitgehend verschwindet – die Folge wären unter anderem Polarlichter am Äquator, ein Zusammenbrechen der Funkverbindungen, genetische Schäden bei Pflanzen, Tier und Mensch.
„Die Frage“, so Egbers, „die wir beantworten wollen, ist die: Welche Art von Konvektion im Erdkern ist für diese Umkehrung des Magnetfeldes zuständig?“
Folgendes Modell wäre denkbar: Die Erde dreht sich im Uhrzeigersinn, da liegt es nahe, dass sich auch die Konvektionen im Inneren im Uhrzeigersinn mitdrehen. „Wir wissen aber aus Simulationen“, so Egbers, „dass es gewisse Konstellationen gibt – sei es die Viskosität ändert sich, sei es, der innere Kern ändert seine Temperatur – unter denen diese Bewegungen im Inneren der Erde anfangen, sich gegen die Erddrehung zu bewegen.“ Das wiederum könnte zu einer Umpolung des Magnetfeldes führen. „Diese Zusammenhänge zu verstehen, ist unser fundamentales Interesse.“
Lässt sich aber mit einer solch kleinen Kugel tatsächlich die Konvektion innerhalb des flüssigen Erdkerns mit seiner Dicke von von fast 2300 km simulieren?
Egbers ist da zuversichtlich. „Es gibt vier Einflussparameter: die Rotationsgeschwindigkeit, die Materialeigenschaften des flüssigen Kerns, die Temperatur und das Verhältnis der Größe des festen Kerns zum flüssigen.“
Bei der Rotation halfen sich die Cottbusser Forscher damit, dass sie die kleine Kugel erheblich schneller rotieren ließen als die Erde, und zwar maximal bis zu 120 Umdrehungen pro Minute.
Zudem wurde noch, um in der Schwerelosigkeit auf der Raumstation die Erdanziehungskräfte zu simulieren, ein Hochspannungsfeld angelegt.
Ein kleines Problem stellte die Temperatur dar, weil keine dem Erdinneren vergleichbaren Temperaturen möglich waren.
„Wir sind aber dennoch“, so Egbers, „mit diesem Experiment schon sehr nah an der Realität.“
Im Februar vergangenen Jahres flog Geoflow zum europäischen Columbus-Labor auf der ISS. Allerdings mussten die Cottbusser Wissenschaftler bis Anfang August warten, bis sie ihr Experiment das erste Mal anschalten konnten. Dann aber lief es, so Egbers, „einwandfrei“.
Insgesamt gab es für Geoflow zehn Experimentierphasen, so genannte „runs“. Ein „run“ dauert gut 16 Stunden, davon sind zehn Stunden reine Experimentierzeit, der Rest wird zur Vorbereitung und zum Hoch- und Runterfahren der Experimente benötigt.
Pro „run“ machte das Interferometer 16 000 Bilder von den Bewegungen des Öls, gut 14 GByte an Daten. Dazu kamen noch einmal 4 GByte an Daten, die über die Qualität der Schwerelosigkeit zum Zeitpunkt der Experimente Auskunft geben.
Diese Daten landeten dann nach einem Umweg über das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Oberpfaffenhofen, von wo aus die Arbeiten im europäischen Columbus-Labor überwacht werden, auf den Rechnern des Geoflow-Teams in Cottbus.
An Bord der ISS mussten die Astronauten den Geoflow-Container wie ein rohes Ei behandeln. Und wenn ein Shuttle oder eine russische Kapsel an die ISS andockte, musste er in ein besonders gedämpftes Gehäuse verpackt werden, um ihn vor Stößen zu schützen.
Am vergangenen Wochenende schließlich landete der Geoflow-Container wohlbehalten mit dem Shuttle Discovery auf der Erde.
Für das kommende Jahr planen Egbers und sein Team schon ein Nachfolge-Experiment, Geoflow II. Die Finanzierungszusage der Europäischen Weltraumorganisation ESA hat er vor wenigen Tagen erhalten.
Geoflow II soll die Strömungen im Erdmantel – zwischen Kern und Erdkruste – untersuchen. Diese Mantelkonvektionen sind, so erwartet Egbers, grundsätzlich andere als die Konvektionen im Kern. „Hier steigt warmes Material nach oben, kaltes sinkt ab.“
Die Strukturen ähneln eher aufsteigenden Rauschschwaden oder länglichen Pilzen. Auch für diese Bewegungen unterhalb der Erdkruste bis zu einer Tiefe von knapp 3000 km gibt es bisher nur numerische Simulationen.
Doch die Ergebnisse dieser Bewegungen lassen sich unmittelbarer beobachten als die Folgen der Konvektionen im Kern: Die Mantelkonvektionen sind für Vulkanausbrüche mitverantwortlich und für Erdbeben.
Für die nächsten vier Monate werden sich Egbers und seine Mitarbeiter jedoch vor allem mit der Auswertung der aktuellen Geoflow-Daten beschäftigen. „Bisher deutet viel darauf hin, dass wir sehr nahe an den numerischen Simulationen, liegen“, so Egbers, „aber so eine Auswertung kann voller Überraschungen sein.“ W. MOCK
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