In Höhlen herrscht Ordnung 14.10.2025, 14:30 Uhr

Stalagmiten wachsen nach Plan – und die Mathematik kennt ihn

Stalagmiten wachsen nicht zufällig: Forschende zeigen, dass ihre Formen einem mathematischen Gesetz folgen.

Stalagmiten

Stalagmiten als mathematische Wunder: Forschende entschlüsseln ihren Wachstumsmechanismus.

Foto: Smarterpix / KennethKeifer

Manchmal offenbart die Natur ein Muster, das sich so präzise beschreiben lässt, dass selbst Mathematik staunt. Genau das gelang einem internationalen Forschungsteam aus Warschau, Florida, Ljubljana und Slowenien. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler fanden heraus: Stalagmiten – jene säulenartigen Kalkgebilde, die in Höhlen aus Tropfwasser entstehen – wachsen nicht zufällig, sondern nach einem klaren mathematischen Gesetz.

Ein jahrzehntealtes Rätsel gelöst

Seit Jahrzehnten rätseln Forschende, warum Stalagmiten so unterschiedlich aussehen. Manche sind spitz wie Nadeln, andere flach wie Teller oder dick wie Baumstämme. Die neue Studie, veröffentlicht in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), liefert nun die Antwort.
Das Team löste ein über 60 Jahre altes mathematisches Modell, das beschreibt, wie ein „idealer“ Stalagmit wächst, wenn Temperatur, Tropfrate und chemische Bedingungen konstant bleiben.

„Es hat sich herausgestellt, dass die große Vielfalt der Stalagmitenformen durch einen einzigen einfachen Parameter erklärt werden kann“, sagt Piotr Szymczak von der Universität Warschau. „Dies ist ein seltener Fall, in dem die Schönheit, die wir in der Natur sehen, direkt einem klaren mathematischen Gesetz entspricht.“

Stellenangebote im Bereich Energie & Umwelt

Energie & Umwelt Jobs
FERCHAU GmbH-Firmenlogo
Projektingenieur Verfahrenstechnik / Anlagenbau (m/w/d) FERCHAU GmbH
Dortmund Zum Job 
TÜV NORD GROUP-Firmenlogo
Sachverständige:r im Bereich Anlagensicherheit Immissionsschutz und Störfallvorsorge TÜV NORD GROUP
Hamburg, bundesweit Zum Job 
Berliner Stadtreinigung (BSR)-Firmenlogo
Gruppenleiter:innen für Projektsteuerung und Projektleitung Anlagenbau (w/m/d) Berliner Stadtreinigung (BSR)
THOST Projektmanagement GmbH-Firmenlogo
Projektmanager*in/ Projektmitarbeiter*in (m/w/d) Flächenmanagement THOST Projektmanagement GmbH
Dresden, Berlin, Leipzig, Hamburg Zum Job 
3M Deutschland GmbH-Firmenlogo
Senior Research Product Development Engineer (R&D) - Electrical Markets (m/f/*) 3M Deutschland GmbH
Technische Universität Darmstadt-Firmenlogo
Universitätsprofessur für Energieprozesstechnik (W3) Technische Universität Darmstadt
Darmstadt Zum Job 
Wirtschaftsbetrieb Hagen AöR-Firmenlogo
Werkstudent*in Siedlungswasserwirtschaft (w/m/d) Wirtschaftsbetrieb Hagen AöR
Dr. Born - Dr. Ermel GmbH-Firmenlogo
Projektleiter Ingenieur Abwasserbehandlung (m/w/d) Dr. Born - Dr. Ermel GmbH
Frankfurt am Main Zum Job 
Stadtwerke Augsburg Holding GmbH-Firmenlogo
Technischer Revisor (m/w/d) Schwerpunkt Prozessprüfung im Bereich Versorgung und ÖPNV Stadtwerke Augsburg Holding GmbH
Augsburg Zum Job 
Stadtwerke Esslingen am Neckar GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Projektingenieur Wärme- und Kältetechnische Projekte (w/m/d) Stadtwerke Esslingen am Neckar GmbH & Co. KG
Esslingen am Neckar Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Ingenieur (w/m/d) Schwerpunkt Abfall- und Bodenmanagement Die Autobahn GmbH des Bundes
Stadtwerke Essen-Firmenlogo
Ingenieur/Techniker (gn) für Kanal- und Entwässerungsplanung Stadtwerke Essen
Fachhochschule Südwestfalen-Firmenlogo
Budde-Stiftungsprofessur für Erneuerbare Energien, insbesondere Wasserstoff Fachhochschule Südwestfalen
Iserlohn Zum Job 
TransnetBW GmbH-Firmenlogo
Ingenieur (m/w/d) Leittechnik TransnetBW GmbH
Wendlingen am Neckar, Bruchsal Zum Job 
TransnetBW GmbH-Firmenlogo
Ingenieur Asset Management (m/w/d) TransnetBW GmbH
Stuttgart Zum Job 
Eproplan GmbH Beratende Ingenieure-Firmenlogo
Projektleiter*in (m/w/d) Versorgungstechnik im Bereich der technischen Gebäudeausrüstung (HLSK) Eproplan GmbH Beratende Ingenieure
Stuttgart Zum Job 
Eproplan GmbH Beratende Ingenieure-Firmenlogo
Projektleiter*in Energiekonzepte und Energieeffizienz Eproplan GmbH Beratende Ingenieure
Stuttgart Zum Job 
Eproplan GmbH Beratende Ingenieure-Firmenlogo
Projektleiter*in Elektrotechnik (m/w/d) Schwerpunkt Elektro- und Leittechnik Eproplan GmbH Beratende Ingenieure
Stuttgart Zum Job 
THOST Projektmanagement GmbH-Firmenlogo
Ingenieur*in (m/w/d) im Projektmanagement Bereich Energietechnik / Elektrotechnik THOST Projektmanagement GmbH
Göttingen, Bremen, Lübeck, Kiel, Leipzig, Hamburg, Heide, Pforzheim Zum Job 
Wirtschaftsbetrieb Hagen AöR-Firmenlogo
Bauingenieur*in Siedlungswasserwirtschaft - Grundstücksentwässerung (w/m/d) Wirtschaftsbetrieb Hagen AöR

Der Schlüssel liegt in der Damköhler-Zahl

Der entscheidende Faktor ist die sogenannte Damköhler-Zahl – ein Verhältnis, das beschreibt, wie schnell chemische Reaktionen ablaufen im Vergleich zum Transport von Stoffen.
In diesem Fall bedeutet das: Sie zeigt das Gleichgewicht zwischen der Geschwindigkeit, mit der Kalzit ausfällt, und der Menge an Wasser, die über die Stalagmite fließt.

Je nachdem, ob Wasser rasch oder langsam tropft, entstehen unterschiedliche Formen:

  • Tropft es konzentriert und gleichmäßig, bildet sich eine säulenförmige Struktur.
  • Verteilt sich das Wasser breitflächig, wächst eine flache Spitze.
  • Bei starkem Tropfenfluss oder direktem Aufprall von der Höhlendecke entsteht eine konische, spitze Form.

Mit diesem Modell lässt sich die gesamte Vielfalt der bekannten Stalagmiten mathematisch beschreiben – vom scharf zulaufenden Kegel bis zur breiten Säule.

Wenn Mathematik auf Höhlenforschung trifft

Um ihre Theorie zu überprüfen, nahmen die Forschenden reale Stalagmiten aus der Postojna-Höhle in Slowenien unter die Lupe. Diese Höhle gehört zu den bekanntesten Karstsystemen Europas und bietet ideale Bedingungen für präzise Messungen. Im medizinischen Zentrum der Universität Ljubljana nutzte das Team Röntgentomographie, um die inneren Strukturen zu erfassen.

Das Ergebnis war verblüffend: Die mathematisch vorhergesagten Formen stimmten fast exakt mit den realen Gebilden überein. Selbst feine Übergänge – etwa von einer flachen Spitze zu einem schlanken Körper – ließen sich im Modell wiederfinden.

„Als wir unsere analytischen Lösungen mit echten Höhlenproben verglichen, war die Übereinstimmung bemerkenswert“, erklärt Matej Lipar vom Forschungszentrum der Slowenischen Akademie der Wissenschaften und Künste. „Das zeigt, dass selbst unter natürlichen, unordentlichen Bedingungen die zugrunde liegende Geometrie vorhanden ist.“

Die Natur als Labor für Physik und Chemie

Was in Höhlen über Jahrtausende langsam wächst, folgt also strengen physikalischen Regeln. Tropfen für Tropfen lagert das Wasser Kalzit, ein häufiges Mineral aus Calciumcarbonat, auf dem Höhlenboden ab. Dieser Prozess ähnelt einer chemischen Maschine: Verdunstung, Ionenaustausch und Ablagerung laufen in fein austariertem Gleichgewicht ab.

Dass sich daraus berechenbare Muster ergeben, ist für viele Forschende ein Glücksfall – denn so lassen sich natürliche Formprozesse quantitativ beschreiben.
In Zukunft könnten ähnliche Modelle helfen, auch andere geologische Strukturen – etwa Korallen, Eisnadeln oder Sinterterrassen – besser zu verstehen.

Bedeutung für die Klimaforschung

Stalagmiten sind nicht nur geologische Kunstwerke. Sie sind auch Zeugen vergangener Klimabedingungen. In ihren Kalkschichten speichern sie chemische Signale – etwa das Verhältnis bestimmter Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope –, aus denen sich Rückschlüsse auf frühere Temperaturen und Niederschläge ziehen lassen.

Das neue Modell hilft nun, diese Daten genauer zu interpretieren. Denn die Form eines Stalagmiten beeinflusst, wie sich diese Isotopenwerte ablagern. „Stalagmiten sind natürliche Klimaarchive, aber wir sehen jetzt, dass ihre Geometrie ihre eigenen Spuren in den Isotopenaufzeichnungen hinterlässt“, erklärt Anthony Ladd von der University of Florida. „Wenn wir diesen Effekt erkennen, können wir zuverlässigere Informationen über das Klima der Vergangenheit gewinnen.“

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.