NSF unterstützt die Forschung von UMaine, um Erdbebenschäden mit einer neuen, kostengünstigen Methode zu verringern

Auf der Rückseite eines Blattes Papier, das er auf seinem Schreibtisch fand, zeichnete der außerordentliche Professor für Geotechnik der University of Maine, Aaron Gallant, eine mikroskopische Ansicht des Bodens, um die Grundlage seiner Forschung zu erklären. In ein kleines Quadrat schrieb er Kreise unterschiedlicher Größe für zwei Arten von Partikeln und Wellenlinien für den Grundwasserfluss durch den Boden. Das kleinere der beiden Partikel stellte winzige Gasbläschen dar, die im Wasser zwischen Bodenkörnern schwammen, das größere der beiden.

Obwohl der Boden locker und verformbar sei, sei er laut Gallant stabil, solange sich Bodenpartikel verdichten und das Grundwasser verdrängen können. Es kann an Stabilität verlieren, wenn die Vibrationen eines Erdbebens Druck im Boden erzeugen und Böden mit hohem Wassergehalt verflüssigen. Der als Verflüssigung bekannte Prozess ist in der Lage, Fundamente unter Brücken, Häusern, Öltanks und anderen Einrichtungen zu destabilisieren und sie zum Einsturz zu bringen.

Die in Gallants Abbildung dargestellten winzigen Gasblasen könnten die schädlichen Auswirkungen der Verflüssigung wirksam abschwächen, indem sie den Grundwasserdruck unterdrücken.

In Zusammenarbeit mit der Portland State University (PSU) in Oregon testen Gallant und zwei weitere Forscher von UMaine – Assistenzprofessor für Bau- und Umweltingenieurwesen Luis Zambrano-Cruzatty und Doktorand Andres Cordoba – eine neue Methode zur Stärkung wassergesättigter Böden. Das Team wird Mikroben im Boden stimulieren, die Stickstoffgas erzeugen, um den durch Erdbeben verursachten Bodendruck abzufedern, ähnlich wie Stöße auf ein Auto.

Die National Science Foundation (NSF) wählte das Team in einem wettbewerbsorientierten Förderverfahren aus und erhielt einen Preis von 961.871 US-Dollar für die Durchführung der Forschung, wobei sich der Anteil von UMaine auf insgesamt 365.594 US-Dollar belief.

„Wir denken darüber nach, wie der Boden mit einer gebauten Umwelt interagiert“, sagte Gallant. „Eines der Dinge, die sehr schwer zu mildern sind, ist diese Idee der Verflüssigung, wenn der Boden im Wesentlichen von einem festen Zustand in einen sogenannten flüssigen Zustand übergeht.“

Besonders erdbebengefährdete und wassernahe Regionen wie die Westküste, der Großraum Charleston in South Carolina und die seismische Zone New Madrid im Mittleren Westen sind in den USA besonders von Bodenverflüssigung bedroht

Die Inspiration

„Das kann sehr zerstörerisch sein“, sagte Gallant. „Der konkrete Standort, auf den wir uns hier konzentrieren, ist der Knotenpunkt der kritischen Energieinfrastruktur in Portland, Oregon. Sie haben viele Öltanks, die auf verflüssigbarem Boden stehen. Wenn es zu einem großen Erdbeben kommt, sind das gesamte Öl und die Energievorräte des Staates anfällig für dieses große, möglicherweise katastrophale Ereignis.“

Wenn sich der Boden während eines Erdbebens verflüssigen würde, könnte Oregon dies tun verliert 90 % seiner Erdölreserven.

Diane Moug, Assistenzprofessorin für Bau- und Umweltingenieurwesen an der PSU, sagte, da Oregon keine Kraftstoffraffinerien habe, werde der gesamte flüssige Kraftstoff zum Infrastrukturknotenpunkt verschifft und dann verteilt. Die Treibstofftanks wurden gebaut, bevor der Staat die seismische Gefahr erkannte.

„Diese Kraftstofftanks sind nicht seismisch robust“, sagte Moug. „Sie befinden sich auf Boden, der bei einem Erdbeben versagen würde.“

Neben dem Verlust von flüssigem Treibstoff für den gesamten Staat seien die Menschen besorgt, dass bei einem Ausfall der Tanks flüssiger Treibstoff in den Willamette River gelangen könnte, was zu Schäden für die Fischerei und die Ökosysteme führen würde, sagte Moug.

Da Tanks und Infrastruktur bereits vorhanden seien, sei es schwierig, den Boden darunter zu verbessern, sagte sie. Die Gaserzeugungsmethode, die das Forschungsteam untersucht, ist eine der wenigen, die Böden behandeln kann, in denen Infrastruktur vorhanden ist.

„Es gibt diese schöne Synergie: Wir prüfen, wie effektiv diese Methode zur Reduzierung der Erdbebengefahr ist, und Gallant und sein Team prüfen, wie lange sie anhält“, sagte Moug. „Wir sehen diese beiden Fragen als wirklich miteinander verknüpft an. Man kann das eine nicht ohne das andere haben.“

Die Mehrpunktforschung ist ein Versuch, nicht nur eine Lösung für die Bodenverflüssigung zu schaffen, sondern sie auch kostengünstig und allgemein zugänglich zu machen – für ressourcenreiche Länder wie die USA und andere Orte wie das ländliche Indonesien, die häufig von Erdbeben betroffen sind und anfällig für Erdbeben sind Verflüssigung.

Nach einem Erdbeben in Indonesien im Jahr 2018 schloss sich Gallant einer von der NSF finanzierten Organisation an Forschungsgruppe in Verbindung mit der Geotechnical Extreme Events Reconnaissance Association, die das südostasiatische Land bereiste und das Palu-Donggala-Beben untersuchte. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass die Verflüssigung durch das Erdbeben katastrophale Erdrutsche ausgelöst hatte, die zu Massenvernichtungen und dem Tod von mehr als 4.000 Menschen führten.

Neue Technik

Gallants Forschung zur Eindämmung der Verflüssigung geht auf das Jahr 2016 zurück, als er zu UMaine kam.

Dieses jüngste Segment, das durch einen NSF-Zuschuss in Höhe von fast einer Million US-Dollar finanziert wird, konzentriert sich speziell auf die Stärkung von Schlickböden über einen langen Zeitraum durch die Erzeugung von Stickstoffgas mit mikrobiell induzierter Entsättigung (MID). Das erzeugte Stickstoffgas ist im Vergleich zur Verstärkung von Gebäudefundamenten oder dem tiefen Eintreiben von Betonpfeilern kostengünstig und absorbiert den Druck von Erdbeben, indem es den leeren Raum zwischen Bodenpartikeln und Grundwasser füllt.

„Es wäre eine große Herausforderung, einen Strohhalm zu nehmen, Blasen in die Erde zu blasen und sie gleichmäßig zu vermischen“, sagte Gallant. „Mit MID stimulieren wir im Wesentlichen die Mikroben und bringen einen Denitrifikationsprozess in Gang, der es uns ermöglicht, vor Ort Stickstoffgas zu erzeugen.“

Gallant sagte, dass Stickstoffgas nicht nur eine kostengünstige Lösung sei, sondern auch nicht umweltschädlich sei und lange Zeit im Boden verbleiben werde, möglicherweise Jahrzehnte bis Jahrhunderte. Es löst sich nicht leicht in Wasser und der atmosphärische Druck von Stickstoff – dem Gas mit der höchsten natürlich vorkommenden Konzentration in der Luft – trägt erheblich zur Beständigkeit und Langlebigkeit des in der Bodensäule eingeschlossenen Gases bei.

„Was passiert, wenn man eine Cola-Flasche öffnet? Der CO₂ kommt heraus“, sagte Gallant. „Aber warum blieb es vorher dort? Weil es viel CO enthielt₂ Druck in der Flasche.“ Das gleiche Konzept gilt für Stickstoffgas im Grundwasser.

Zwei Herausforderungen werden darin bestehen, zu wissen, ob das Gas an Ort und Stelle bleibt, und vorherzusagen, wie lange es dort bleiben wird. Wenn das Forschungsteam diese Bedenken erfolgreich angehen kann, können MID und andere Entsättigungstechniken die Art und Weise verändern, wie Bauingenieure Infrastrukturen schützen, die anfällig für Verflüssigung sind.

Kontakt: Ashley Yates; [email protected]