Unterseekabel, die auch als Seismologie- und Umweltsensoren dienen können
Die Seismologie steht und fällt mit dem Wissen, wie und wann sich die Verwerfungen der Erde bewegen. Da jedoch zwei Drittel der Erdoberfläche unter Wasser liegen, kann ein erhebliches Überwachungspotenzial aufgrund der logistischen Herausforderungen und der Kosten für den Einsatz seismologischer Instrumente im Ozean nicht ausgeschöpft werden. „Eine kluge Strategie für die ozeanische Seismologie besteht darin, auf bereits bestehende Infrastrukturen zurückzugreifen. Unterseeische Telekommunikationskabel sind dafür bestens geeignet“, sagt Marc-André Gutscher(öffnet in neuem Fenster), Koordinator des Projekts FOCUS(öffnet in neuem Fenster), das Laserlicht verwendet, um kleine Bewegungen des Meeresbodens durch die in solchen Kabeln festgestellte Dehnung zu messen.
Laserlicht erkennt Veränderungen an Glasfaserkabeln
Das primäre Testgebiet des Projekts FOCUS lag etwa 30 km vor der Küste von Catania (Sizilien) – einer für verheerende Erdbeben anfälligen Stadtregion. Dort hatte das Team bereits eine lineare Verwerfung in einer Wassertiefe von 2 000 Metern kartiert. Ein ferngesteuertes Fahrzeug (remotely operated vehicle, ROV) verband ein speziell entwickeltes Glasfaserkabel mit einem kabelgebundenen Meeresboden-Observatorium. Dieses „Dehnungskabel“ wurde abgewickelt, um die Unterwasser-Verwerfung an vier Stellen zu überqueren. Das Laserlicht wurde dann durch das 29 km lange elektro-optische Kabel des Observatoriums und in das 6km lange „Dehnungskabel“ des Projekts geschossen, in dem es dreimal hin- und hergeschleudert wurde, was einer optischen Gesamtstrecke von 47 km entspricht. Das Team verwendete „Brillouin Optical Time Domain Reflectometry“(öffnet in neuem Fenster) (BOTDR), um dieses Licht zu analysieren. Wenn Laserlicht in eine Glasfaser eingestrahlt wird, wird ein kleiner Teil rückgestreut – d. h. es wird von winzigen Glasfaserunebenheiten zurückreflektiert – und von einem Laserabfragesystem gemessen. FOCUS, das vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) (ERC) finanziert wurde, analysierte einen Peak des rückgestreuten Lichts, den so genannten Brillouin-Peak, der auf mechanische Faserverformungen und Temperaturänderungen anspricht. Optische Messungen werden seit Oktober 2020 mehr oder weniger kontinuierlich alle zwei Stunden durchgeführt. „Erhöhungen oder Verringerungen der Brillouin-Frequenz an einer bestimmten Stelle der Glasfaser zeigen deren Verlängerung oder Verkürzung an“, erklärt Gutscher vom Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung(öffnet in neuem Fenster) (CNRS) in Frankreich. Veränderungen wurden bereits im November 2020 festgestellt, mit einer Dehnung von circa 1,5 cm am ersten und von circa 0,5 cm am dritten Verwerfungspunkt. Ursprünglich wurde angenommen, dass dies an einer Verwerfungsbewegung liegt. Zur unabhängigen Überprüfung wurden auf beiden Seiten der Verwerfung akustische Baken am Meeresboden angebracht, was gegenteilige Ergebnisse lieferte(öffnet in neuem Fenster). „Wahrscheinlich wurden sie durch einen submarinen Hangrutsch oder eine Bodenströmung verursacht“, vermutet Gutscher. Auf dem Dehnungskabel wurden zusätzliche Signale entdeckt, die von einem ROV verursacht wurden, als es Gewichtssäcke auf das Kabel legte. „Diese Signale haben bewiesen, dass unsere Technik in der Lage ist, Veränderungen des Meeresbodenkabels in einer Entfernung von 30 km bis 50 km von der Küste zu messen“, erklärt Gutscher. „Wir konnten noch keine Verwerfungsbewegungen messen, weil es keine gab – vielleicht sollten wir darüber erleichtert sein! Bildgebende Verfahren und Sedimentuntersuchungen haben gezeigt, dass sich diese Verwerfung alle 10 000 Jahre um mehrere Meter bewegt und dabei Erdbeben der Stärke 6 auslösen kann.“
Potenzial für die Überwachung der Auswirkungen des Umwelt- und Klimawandels
FOCUS zeigt, dass das unterseeische Telekommunikationsnetz für seismologische Messungen umgerüstet werden kann. Mithilfe derselben Methoden könnte auch die strukturelle Gesundheit von Unterseekabeln überwacht werden. Eine wichtige Erkenntnis des Projekts war, dass nicht standardmäßige (dichte) Unterwasser-Glasfaserkabel die Verformung des Meeresbodens besser messen können als lose Standardfasern. Zudem steht das Team auch kurz davor nachzuweisen, dass Standard-Telekommunikationskabel Temperaturschwankungen am Meeresboden verfolgen können, welche ein Schlüsselindikator für den Klimawandel sind – eine Funktion, die Gutscher in einer neuen Ausschreibung für den ERC Advanced Grant verfolgt. Ein Ableger des Projekts, bei dem die BOTDR-Technik zum Einsatz kommt, misst derzeit die Temperatur und die Strömungen am Meeresboden in der Nähe der Kabel eines unterseeischen Glasfasernetzes im Guadeloupe-Archipel. Darüber hinaus ist die Erprobung eines Hybridkabels (Telekommunikations- und Sensorfasern) geplant, das im Rahmen von FOCUS entwickelt wurde und ein spezielles Design aufweist (Patent angemeldet), das sowohl dichte als auch lose Sensorfasern enthält.
