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INTERVIEW/239: Gitterrost und Permafrost - Pragmatik trifft Unberechenbarkeit ...    Prof. emer. Wilfried Haeberli im Gespräch (SB)


11. Internationale Permafrostkonferenz (ICOP) vom 20. bis 24. Juni 2016 in Potsdam

Prof. emer. Wilfried Haeberli über die Modellierung von Eiszeitgletschern und Permafrost in Verbindung mit radioaktiven Endlagern in der Nordschweiz


Die Schweiz verfügt über fünf Kernkraftwerke, die rund 40 Prozent des elektrischen Energiebedarfs des Landes abdecken. Zur Zeit wird nach einem Endlager für die hochradioaktiven Abfälle gesucht, wobei drei Standortgebiete in die engere Auswahl genommen wurden. Vorgesehen ist die Verbringung von voraussichtlich 130 m³ hochradioaktiven Abfällen und 1400 m³ Brennelementen in einer geologischen Schicht, die sich Opalinuston nennt und zu einer Zeit gebildet wurde, als das Gebiet noch Meeresboden war. Alle drei Standortgebiete liegen im Alpenvorland, teils sehr nahe zur schweizerisch-deutschen Grenze.


Porträt - Foto: © 2016 by Schattenblick

Prof. emer. Wilfried Haeberli
Foto: © 2016 by Schattenblick

Ein radioaktives Endlager muß eine Reihe von Kriterien erfüllen, damit es genehmigt wird, beispielsweise muß es wasserundurchlässig und erdbebensicher sein und eine langfristige geologische Stabilität gewährleisten. "Langfristig" ist ein relativer Begriff. In diesem Fall bedeutet er, daß hochradioaktive Abfälle "eine Million Jahre von der Biosphäre isoliert" sein müssen, wie der Schweizer Geograph und Glaziologe Prof. emer. Wilfried Haeberli vom Geographisches Institut der Universität Zürich auf der 11. Internationalen Permafrostkonferenz (ICOP) in Potsdam gegenüber dem Schattenblick erklärte.

Prof. Haeberli hatte dort unter anderem die Forschungsarbeit von ihm und seinen Kollegen Urs H. Fischer von der Nagra (Nationale Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle) und Denis Cohen von der Iowa State University in Ames auf einem wissenschaftlichen Poster dargestellt, das er im Rahmen einer von mehreren Sessions, an denen jeweils viele Dutzend dieser Schautafeln präsentiert wurden, vorgestellt hat und das den Titel trug: "On ice-age glaciers and permafrost in connection with radioactive waste repositories in Northern Switzerland" (z. Dt.: Über Eiszeitgletscher und Permafrost in Verbindung mit radioaktiven Endlagern in der Nordschweiz).

Eine Million Jahre erscheinen für den Laien ein unvorstellbar langer Zeitraum zu sein. Rechnet man eine Million Jahre zurück, so gab es den heutigen Menschen (Homo sapiens) noch gar nicht, und dessen Vorfahr wärmte sich am Höhlenfeuer auf. Geologen entwerfen jedoch Szenarien, die noch viel weiter in die Erdgeschichte zurückreichen und im Schulunterricht gelehrt werden. Beispielsweise daß die Bildung der Alpen, die als ein junges Faltengebirge bezeichnet werden, vor etwa 135 Mio. Jahren einsetzte. Das Gebirge erfuhr rund 100 Mio. Jahre lang Phasen stärkerer und schwächerer Hebung; gleichzeitig sorgten Erosionskräfte für einen stetigen Abtrag. Noch heute hebt sich das Gebirgsmassiv jährlich um etwa einen Millimeter.

Für die Frage, welche Veränderungen der Alpenraum im Laufe der nächsten eine Million Jahre durchlaufen wird und was das für ein Endlager mit hochradioaktivem Abfall bedeutet, greift die Wissenschaft auf ihre Modelle und Vorstellungen zur Erdgeschichte zurück. Daß dabei sehr viele Fragen offen sind, schrieb Urs H. Fischer in dem von Wilfried Haeberli und Colin Whiteman herausgegebenen Buch "Snow and Ice-Related Hazards, Risks, and Disasters" (Elsevier, 2014). Darin heißt es auf S. 361 in einem Ausblick auf den zukünftigen Forschungsschwerpunkt: "Obwohl die Bedeutung der Erosion und des Abtransports der Erosionsprodukte durch Gletscherschmelzwasser zunehmend erkannt wird, müssen glaziofluviale Vorgänge vollständig untersucht, genau in glaziale Erosionsmodelle eingearbeitet und in realistischen numerischen Simulationen überprüft werden, um die Gefährdungen eines geologischen Tiefenlagers, das unter den Einfluß einer zukünftigen Eiszeit gerät, beurteilen zu können." (Übersetzung: Schattenblick)

Die näheren Erläuterungen Prof. Haeberlis, der als Experte die Nagra berät, anhand seines Posters auf der Potsdamer Permafrostkonferenz möchten wir hiermit unserer Leserschaft in Form eines Interviews zur eigenen Anschauung an die Hand geben.


Das Poster, anhand dessen Prof. Haeberli die Problematik erläutert hat - Foto: © 2016 by Schattenblick

Ein tiefengeologisches Lager für hochradioaktive Stoffe soll so sicher sein, daß zehn Eiszeiten darüber hinweggehen können.
Foto: © 2016 by Schattenblick

Schattenblick (SB): Könnten Sie uns erklären, was Permafrost mit der Lagerung hochradioaktiver Abfälle zu tun hat?

Prof. Wilfried Haeberli (WH): Die in der Schweiz anfallenden hochradioaktiven Abfälle müssen laut Gesetz für eine Million Jahre von der Biosphäre isoliert werden. In der nächsten Million Jahre erwarten wir ungefähr zehn Eiszeiten mit ausgedehnten Gletschern und dauernd gefrorenem Untergrund (Permafrost), die für die geplanten Tiefenlager stark veränderte Bedingungen verursachen. Diese Problematik ist etwa in Deutschland, Schweden, Kanada und einigen weiteren Staaten ähnlich. Unter Eiszeitbedingungen ist die Schweiz überall in irgendeiner Form von Eis beeinflußt, sei es durch Gletscher, sei es durch tief reichenden Permafrost.

Aus geologischen und tektonischen Gründen wurde eine Opalinustonschicht für die Verbringung der radioaktiven Abfälle ausgewählt. Der Ton ist undurchlässig, genügend tief unter der Oberfläche und liegt ausserhalb der regionalen Störungszonen. Auf einer Karte der Vergletscherung während der letzten Eiszeit kann man erkennen, daß ein Tiefenlagerstandortgebiet unter dem letzteiszeitlichen Gletscher, das zweite an ihrem Rand und das dritte etwas außerhalb - aber noch innerhalb der maximalen Eisausdehnung einer früheren Eiszeit - zu liegen käme.

Unsere Aufgabe besteht darin, Modelle zu erstellen und zu untersuchen, welchen Bedingungen diese Lager während zukünftigen Eiszeiten ausgesetzt sein können. Dafür gehen wir primär von der letzten Eiszeit aus, weil dazu die meisten Daten vorliegen. Wir wollen zuerst einmal sicher sein, daß wir diese Situation realistisch rekonstruieren können.

SB: Welche Bedeutung kommt dabei den Gletschern zu?

WH: Die Gletscher sind an ihrer Basis nicht überall am Untergrund angefroren, sondern zumindest teilweise auf Schmelztemperatur. Unter der Wirkung des Wassers gleiten sie dort über das Gletscherbett. Dabei wird Gesteinsmaterial erodiert. Eine unserer Hauptfragen ist denn auch, wie stark die Erosion eiszeitlicher Gletscher sein könnte und ob ein Tiefenlager allenfalls durch eiszeitliche Gletschererosion gefährdet wäre. Die heutigen Täler im Alpenvorland der Schweiz haben stellenweise Übertiefungen [1] von 300 bis 400 Metern. Es gibt in der Schweiz einige Gebiete, wo der Felsuntergrund sogar unter Meeresspiegelniveau liegt.

Unser Poster bezieht sich speziell auf die Koppelung von Permafrost und Gletschern. Während der Eiszeit bestand in der Schweiz genauso wie etwa in Deutschland ein kontinuierlicher Permafrost. Damals war es sehr kalt und sehr trocken. Unsere Modellierung der Permafrosttiefe als Funktion der Zeit zeigt, daß er zeitweise etwa 100, 150 Meter tief reichte.

Wenn wir jetzt den Gletscher über bereits existierenden Permafrost vorstoßen lassen, dann zeigen unsere Modelle, daß das Bett des Gletschers nicht die Schmelztemperatur erreicht, obwohl der Gletscher etwas wärmer ist als der überfahrene Permafrost. Die Wärme fließt dabei von warm nach kalt, also vom Gletscher in den Untergrund hinein. Wenn sich das angleicht, wird der Wärmefluß schließlich so klein, daß es sehr lange dauert, bis das Eis im Untergrund geschmolzen und der Permafrost aufgelöst ist.

Das ist das erste Ergebnis eines zeitabhängigen, dreidimensionalen, thermomechanisch gekoppelten, also hochentwickelten Modells, das Gletscher und Permafrost kombiniert. Es zeigt schon die Schwierigkeiten. Weitere Modellexperimente mit voller zeitlicher Koppelung von Gletscher und Permafrost sind im Gang.

SB: Was wären die nächsten Schritte?

WH: Man muß noch das Grundwasser dazu koppeln. Es kommt auf die drei Faktoren Gletscher, Permafrost und Grundwasser an. Nicht nur die Erosion, sondern auch die veränderten Grundwasserverhältnisse können die Tiefenlager beeinflussen. Wenn Sie einen Gletscher haben, der am Rande kalt ist, dann gibt es einen Keil von Permafrost im Untergrund und der bildet eine hydraulische Barriere im tiefen Grundwasser. Dadurch können hohe Wasserdrücke entstehen und das Wasser taucht in die Tiefe ab. Je nach Hydrogeologie können die Effekte mehrere hundert Meter tief reichen.

SB: Somit würde womöglich hoher Wasserdruck von oben auf die Lager ausgeübt?

WH: Es entsteht zumindest eine veränderte Grundwasserhydraulik mit erhöhten Wasserdrücken. Es wurden zwar schon viele Modellierungen im Zusammenhang mit Grundwasser durchgeführt, aber für die Schweiz noch nicht unter Eiszeitbedingungen. Unsere Aufgabe ist es deshalb auch zu definieren, was für Grundwasserbedingungen während einer Eiszeit hier mit Gletscherüberdeckung und Permafrostbildung herrschen könnten.

SB: Werden solche Fragen auch in der Öffentlichkeit diskutiert?

WH: Für viele Leute ist es zuerst einmal sehr überraschend, daß es um zukünftige Eiszeiten geht. Denn während der Eiszeit, so hat man in der Schule gelernt, lebten noch Mammuts auf der Erde. Das ist im Bewusstsein der meisten die Vergangenheit, aus der wir kommen. Mit der Vorstellung von zukünftigen Eiszeiten wird die erdgeschichtliche Dimension der Problematik bildhaft klar. Tektonik oder Physik sind für viele abstrakt, eine Eiszeit jedoch ist ein ganz starkes Bild. Darüber wird jetzt in der Öffentlichkeit vermehrt diskutiert.

Die Nagra ist die für die geologische Tiefenlagersuche zuständige Organisation der Schweiz. Sie arbeitet gemäß gesetzlicher Grundlage im Auftrag der Kernkraftwerksbetreiber. Gemäß einer Bundesauflage muß sie in den kommenden Jahren mindestens zwei Standortgebiete für ein Tiefenlager vorschlagen. Bis dann müssen wir für die Eiszeitbedingungen definieren können, was wir wissen und wo die Grenzen des Wissens und des Verständnisses sind. Es geht unter anderem um die Fragen, wo die Unsicherheiten stecken und wie sich die Standortfaktoren vergleichen lassen.

SB: Wenn wir richtig informiert sind, ist die Tonschicht hinsichtlich der Anforderungen eines atomaren Endlagers nicht besonders mächtig.

WH: Unsere Untersuchung bezieht sich auf etwas anderes, nämlich vor allem auf zwei Fragen im Zusammenhang mit der Eiszeit: Wie tief werden die Täler erodiert und wie beeinflussen Gletscher und Permafrost zusammen das Grundwasser?

SB: Und Sie modellieren das, um dann die Bedingungen festlegen zu können, anhand derer die Politik ihre Schlußfolgerungen ziehen kann?

WH: Wir modellieren das, um zu verstehen, was wir verstehen und was wir konkret aussagen können. Es geht letztlich darum, im Hinblick auf den politischen Entscheid Wissensgrundlagen zu schaffen und dabei nichts Entscheidendes zu vergessen oder zu übersehen. Die Aufgabe ist überaus komplex, aber immer noch einigermassen konkret etwa im Vergleich zu Fragen nach der gesellschaftlichen Entwicklung und der längerfristigen Zukunft des Menschen. [2]


Foto: © 2016 by Schattenblick

Prof. Haeberli weist auf einen der drei Endlagerstandorte (rot umrandet). Dieser liegt noch innerhalb der maximalen Ausdehnung der letzten eiszeitlichen Vergletscherung. Auf der Karte rechts ist die von Gletschern erzeugte Übertiefung (auf der Karte von gelb bis rot gekennzeichnet) der Täler dargestellt.
Foto: © 2016 by Schattenblick

SB: Das Problem ist vermutlich nicht nur das Grundwasser an sich. Denn das löst wiederum Bestandteile aus dem Gestein, die möglicherweise die Korrosion fördern. Wird auch das untersucht?

WH: Zu solchen Fragen werden ausführliche Untersuchungen angestellt, an denen ich selber nicht beteiligt bin. In den betreffenden Forschungsarbeiten geht es etwa um die geotechnischen Eigenschaften des Tonsteins als Wirtgestein, um Einwirkungen von Erdbeben oder um die Grundwassereffekte. Ein Gletscher, der sich auf der Landschaft ausbreitet, verändert die Grundwasserhydrologie. Der Permafrost, der sich unter den trocken-kalten Bedingungen der Eiszeiten im Untergrund bildet, verstärkt diese Veränderungen bis in beträchtliche Tiefen. Entsprechende Szenarien müssen definiert, und in die Grundwassermodellierung eingebracht werden.

SB: Könnten Sie sich vorstellen, daß eine Schlußfolgerung aus Ihren Studien sein wird, daß die Schweiz sagt: Wir können nicht verantworten, ein atomares Endlager in Tongestein an der schweizerisch-deutschen Grenze zu bauen, wir müssen nach anderen Lösungen suchen?

WH: Abgesehen davon, daß eine Antwort darauf nicht zu meinen Aufgaben als beratender Experte für Eiszeitfragen gehört, ist die Schweiz verpflichtet, eine Lösung im eigenen Land zu finden. Man kann die Abfälle nicht in den Weltraum schiessen oder in der Antarktis einschmelzen lassen - dazu hatte es tatsächlich schon einmal Vorschläge gegeben. Die gesetzliche Regelung ist klar: Es muß eine Lösung in der Schweiz sein, und das Tiefenlager für hochaktive Abfälle muß eine Million Jahre sicher sein.

SB: Könnte durch den menschengemachten Klimawandel verhindert werden, daß es überhaupt noch einmal zu einer Eiszeit kommt?

WH: Wie schnell die Erde das massiv erhöhte CO2 wieder aus der Atmosphäre herausholen kann, ist nicht genau bekannt. Einige renommierte Forscherkollegen sagen, die Erde brauche 500.000 Jahre, um das zu "vergessen", was wir jetzt mit dem verstärkten Treibhauseffekt machen. Vielleicht sind es auch eine Million Jahre, vielleicht auch viel weniger. Aber so interessant diese Frage auch sein mag, sie beeinflußt unsere Forschung nicht. Solange wir die zukünftige Entstehung von Eiszeiten nicht ausschließen können, müssen wir uns damit befassen.

SB: Herr Haeberli, vielen Dank für das Gespräch.


Kongreßteilnehmende dicht an dicht auf dem Rasen hinter dem Kongreßhotel - Foto: © 2016 by Schattenblick

ICOP 2016 - gemeinsames Foto-Shooting am Eröffnungstag
Foto: © 2016 by Schattenblick


Fußnoten:


[1] Bei der Übertiefung erodiert ein Gletscher bereits bestehende Rinnen oder Mulden nochmals tiefer aus. Bei der Auswahl der Endlagerstandortgebiete wurde auch darauf geachtet, ob sie in der Nähe solcher Täler, die später mit Gesteinsmaterial aufgefüllt wurden, liegen. Man nimmt an, daß zukünftige Gletscher bevorzugt, wenngleich nicht ausschließlich, durch solche Täler fließen werden.

[2] In einem Interview, das die Universität Zürich am 21.11.2005 veröffentlicht hat, führte Prof. Haeberli näher aus, was damit gemeint ist:

"Die relative Sicherheit, mit der wir geologische Prozesse für lange Zeiträume voraussagen können, steht in scharfem Kontrast zu der Unsicherheit, wie sich die Menschen und die Gesellschaft selbst in den nächsten Jahrzehnten entwickeln werden. Wie die Wissenschaft und menschliche Gesellschaft in hundert Jahren sein wird, darüber wage ich keine Aussage."
http://www.news.uzh.ch/de/articles/2005/1974.html

Bisher im Schattenblick unter INFOPOOL → UMWELT → REPORT zur Permafrostkonferenz in Potsdam erschienen:

INTERVIEW/227: Gitterrost und Permafrost - Zahlenspiele, Umweltziele ...    Prof. Hans-Wolfgang Hubberten im Gespräch (SB)
INTERVIEW/228: Gitterrost und Permafrost - Schrittmacher Menschenhand ...    Prof. Guido Grosse im Gespräch (SB)
INTERVIEW/229: Gitterrost und Permafrost - bedingt prognosesicher ...    Prof. Antoni Lewkowicz im Gespräch (SB)
INTERVIEW/230: Gitterrost und Permafrost - zivile Katastrophen ...    Dr. Tingjun Zhang im Gespräch (SB)
INTERVIEW/234: Gitterrost und Permafrost - Flirt mit Ideen, Karriere mit konservativen Methoden ...    Dr. Anne Morgenstern im Gespräch (SB)
INTERVIEW/235: Gitterrost und Permafrost - nicht hören, nicht sehen ...    Dr. Torre Jorgenson im Gespräch (SB)
INTERVIEW/238: Gitterrost und Permafrost - maßstabslos ...    Prof. Duane Froese im Gespräch (SB)


17. Juli 2016


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