Einstein-Teleskop: Erforschung des Universums aus dem Untergrund

Das Einstein-Teleskop (ET) ist ein spannendes Projekt, das Europas führendes Gravitationswellenobservatorium der dritten Generation werden soll. Diese hochmoderne Forschungseinrichtung, die unterirdisch gebaut wird, wird das Universum erforschen, indem sie Gravitationswellen, also Wellen in der Raumzeit, nachweist. Das ET wird aus drei miteinander verbundenen Interferometern bestehen, die in der Lage sind, ein breites Spektrum von Gravitationswellenfrequenzen mit aussergewöhnlicher Genauigkeit zu identifizieren. Dieses Vorhaben verspricht nicht nur neue kosmische Erkenntnisse, sondern markiert auch einen bedeutenden Fortschritt in den Bereichen Astrophysik und Kosmologie. Die Entscheidung, das Einstein-Teleskop unterirdisch zu bauen, ist durch die Notwendigkeit begründet, eine beispiellose Präzision bei der Detektion von Gravitationswellen zu erreichen. Durch die Lage des Teleskops tief unter der Erdoberfläche wird es vor einer Vielzahl von Störungen an der Oberfläche geschützt, darunter seismische Aktivitäten, vom Menschen verursachte Geräusche und atmosphärische Schwankungen. Die Verwirklichung dieses ehrgeizigen Projekts ist jedoch mit erheblichen technischen und logistischen Herausforderungen verbunden. Zu den verschiedenen schwierigen Aufgaben innerhalb des Projekts gehört der Bau umfangreicher Tunnel und grosser Kavernen in beträchtlicher Tiefe. Darüber hinaus erfordert der Erfolg des Projekts sowohl die technische Machbarkeit dieser Infrastrukturen als auch eine optimale Empfindlichkeit des Interferometers. Die Bewältigung beider Herausforderungen ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit des Observatoriums und sein Potenzial, unser Verständnis des Universums zu revolutionieren.

Eine unterirdische Anlage 

Interferometer sind seit langem unverzichtbare Werkzeuge in der Physik und werden traditionell an der Oberfläche gebaut. Aufgrund der Vorteile, die dieser Ansatz bietet, wächst jedoch das Interesse am Bau von Interferometern unter der Erde. Das Interesse am Bau eines ET unterirdisch beruht auf dem Ziel, die Auswirkungen von seismischem Rauschen und Gravitationsgradientenrauschen zu reduzieren, die durch seismische Wellen und Kompressionswellen der umgebenden Luft verursacht werden. Darüber hinaus ermöglicht der unterirdische Betrieb eine Erweiterung des Frequenzbandes des Observatoriums um wenige Hz (ET-Lenkungsausschuss et al., 2020). Durch die Minderung von seismischen Störungen und Gravitationsgradienten, die Gewährleistung von Stabilität und den Schutz vor Umwelteinflüssen wird der unterirdische Standort dem ET ermöglichen, mit beispielloser Präzision zu arbeiten. Der Trend zum Bau von Interferometern unter der Erde stellt einen bedeutenden Fortschritt bei der Verbesserung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit dieser wichtigen wissenschaftlichen Instrumente dar. Die zahlreichen Vorteile sprechen insgesamt für einen Bau unter der Erde.

Die Standorte 

Eine der Folgen der Erweiterung des Beobachtungsbandes hin zu niedrigeren Frequenzen ist, dass Umweltstörungen und damit die Qualität des Observatoriumsstandorts eine immer wichtigere Rolle spielen dürften (ET-Lenkungsausschuss et al., 2020). Die Bewertung der Standortwahl für das Einstein-Teleskop erfordert einen umfassenden und ganzheitlichen Ansatz. Zu den wichtigsten Kriterien zählen die Auswirkungen auf die Langlebigkeit der Infrastruktur, die Empfindlichkeit und die Betriebseffizienz des Observatoriums sowie die Erhaltung der Standortqualität. Darüber hinaus müssen die Baukosten und der sozioökonomische Nutzen für die umliegende Gemeinde berücksichtigt werden. Die technische Machbarkeit spielt eine entscheidende Rolle, um sicherzustellen, dass der ausgewählte Standort den hohen Anforderungen des Observatoriums gerecht wird und damit sowohl die Leistung als auch die Nachhaltigkeit optimiert werden. Zwei Standorte wurden für eine detaillierte Standortcharakterisierung ausgewählt: einer im Norden von Lula auf Sardinien und einer in der Euroregion Maas-Rhein (siehe Abbildung 1). 

Das ET-Layout 

Die zur Beurteilung der Machbarkeit zu bewertenden Layoutdetails müssen noch festgelegt werden. Allerdings werden derzeit zwei Konfigurationen aus physikalischer und technischer Sicht analysiert. Im ersten Szenario bildet die unterirdische Konfiguration der Tunnel ein Dreieck mit einer Seitenlänge von etwa 10'798 Metern, wobei die Zugangsoptionen nicht berücksichtigt sind. Das schematische Referenzlayout ist in Abbildung 2 dargestellt. Der Zugang für das bewertete Szenario wird entweder durch (a) vertikale Schächte oder (b) geneigte Zugangstunnel ermöglicht, die die Oberfläche mit den Hauptkavernen verbinden. Der umgebende Bereich an den Ecken des Dreiecks umfasst mehrere Kavernen mit unterschiedlichen Geometrien in der Nähe der Schnittpunkte. Zusätzlich wird für die Wasserbewirtschaftung während des Betriebs ein ausgekleidetes Bohrloch vorgeschlagen, das sich entfernt von der kritischen und vibrationsempfindlichen Kavernenstruktur befindet. Der beschriebene Entwurf sieht für jeden Eckpunkt eine grosse Hauptkaverne mit einer Länge von 190 m, einer Spannweite von 20 m und einer Höhe von 30 m vor. Um diese Hauptkaverne herum sind mehrere kleinere Kavernen und Verbindungstunnel geplant. Am Ende des Haupttunnels ist ein vertikales Bohrloch vorgesehen, um den Zugangsbereich separat zu entwässern. Die Länge des „Entwässerungstunnels” hängt von den Vibrationseinwirkungen des hydraulischen Pumpsystems und der tolerierbaren Wasserinfiltration ab. Das zweite Szenario sieht eine L-förmige Struktur mit 15 km langen Schenkeln vor, deren Winkel auf 90° festgelegt ist. Damit dieser Detektor funktioniert, müssen 2L-Detektoren zusammenarbeiten, weshalb zwei Detektoren gebaut werden sollten.

Konstruktionsanforderungen für den Bau

Die bei dieser vorläufigen Überprüfung des Konzeptentwurfs berücksichtigten Konstruktionsanforderungen beziehen sich daher auf geotechnische, dimensionale oder betriebliche Anforderungen des Einstein-Teleskops. Durch die Oberflächenbeschaffenheit bedingte Einschränkungen der Machbarkeit wurden in dieser Phase nicht berücksichtigt. Die Randbedingungen oder Konstruktionsanforderungen für die Machbarkeitsphase sind in Tabelle 1 unten aufgeführt:

Tabelle 1. Projektanforderungen und allgemeine Aufgaben für den Bau der unterirdischen Infrastruktur des ET-Projekts  

Die bei dieser ersten Überprüfung ermittelten Konstruktionsanforderungen werden weiterentwickelt, um Konstruktionsspezifikationen zu definieren. Die Konstruktionsspezifikationen legen die genauen Eigenschaften des Einstein-Teleskops fest, die das Konzeptdesign ausmachen, und ermöglichen die Bewertung der Konformität des Projekts mit den Konstruktionsanforderungen. Die Definition dieser Konstruktionsspezifikationen entspricht dem Umfang einer späteren, detaillierteren Mission, in der die Konstruktionsalternativen für das Einstein-Teleskop-Projekt analysiert werden.

Da die Konstruktionsspezifikationen stark von der Konstruktion abhängen und da für eine bestimmte Komponente mehrere Konstruktionslösungen existieren können (Referenzkonstruktion und alternative Konstruktionen), müssen verschiedene Konstruktionsszenarien definiert werden, damit klar erkennbar ist, für welches Szenario jede Konstruktionsspezifikation gilt.

Lebenslanger Ansatz

Der Entwurfsansatz für den Tiefbau basiert auf den folgenden Schritten: 

• Vorläufige Machbarkeitsstudien: Ziel ist es, die Anforderungen des Projekts zu definieren. In der EMR-Region wurden drei Bohrlöcher gebohrt und vorläufige Studien zu verschiedenen Bereichen (u. a. Lärm, Geologie und Hydrogeologie) durchgeführt, um das Potenzial des Projekts zu untersuchen. Der erste vorläufige Entwurf wurde 2020 festgelegt.
• Machbarkeitsstudien: Ab dem ersten Quartal 2024 soll die Machbarkeit eines bestimmten ausgewählten Standorts überprüft werden. Als Ergebnis werden ein Konzeptentwurf, eine vorläufige Kostenschätzung und ein Bauzeitplan erwartet. Um die geologischen und hydrogeologischen Kenntnisse über die Region zu verbessern, wird derzeit eine Bohrkampagne durchgeführt.
• Technische Planung: Im Rahmen weiterer Studien wird ein einziges Planungsszenario bis zur Detailplanung entwickelt. Der Bauzeitplan und die Budgetierung sind zu erstellen.
• Ausschreibung: Umweltprüfung und -validierung, Erstellung der Ausschreibungsunterlagen und Ausschreibung. Je nach gewähltem Ausschreibungsverfahren kann ein Teil der technischen Planung während des Auftrags des Auftragnehmers entwickelt werden.
• Bau: Ein Bauunternehmer erhält den Zuschlag für die Bauausführung des Projekts und ist somit für den Bau von ET verantwortlich.

Laufende Machbarkeitsstudien

Der Designansatz in der Machbarkeitsphase basierte auf einer Top-Down-Methodik. Die wichtigsten Schritte des Designs sind im Folgenden zusammengefasst:

• Der vorläufige Grundriss und die geometrische Definition der Kavernen und Schächte, insbesondere die Konfiguration benachbarter Kavernen
• Definition des geologischen und geotechnischen Kontexts des Gebiets, in dem das Projekt gebaut werden soll. Diese Studie basiert auf den verfügbaren Informationen (Bohrlochdaten, die uns als Referenz zur Verfügung stehen, Labor- oder In-situ-Tests, geologische Pläne usw.) und auf der Einschätzung von erfahrenen Geologen. Es ist zu beachten, dass der Untergrund ein sehr heterogenes Umfeld ist. Diese Heterogenität tritt in der Regel sogar innerhalb derselben geologischen Formation oder geotechnischen Einheit auf. Folglich besteht immer ein gewisses Mass an Unsicherheit, was bedeutet, dass die Charakterisierung der mechanischen Parameter der geotechnischen Einheiten einem probabilistischen Ansatz folgen sollte.
• Vollständige Vorplanung der unterirdischen Kavernen und Tunnel unter Berücksichtigung der geologischen und geotechnischen Gegebenheiten, der Auslegungslasten sowie der vorläufigen Projektdefinition.
• Optimierung der Projektplanung (Unterstützung bei Tunneln und Kavernen, geometrische Definitionen usw.) auf Grundlage der Ergebnisse der Vorstudien.

Einige der allgemeinen Konstruktionsanforderungen für Tiefbauarbeiten, die berücksichtigt werden müssen, sind die folgenden: 

• Sicherstellung einer angemessenen Lebensdauer der Konstruktionen.
• Unter Berücksichtigung der geltenden Bauvorschriften.
• Befolgen Sie die Ratschläge vertrauenswürdiger Empfehlungen, da unterirdische Arbeiten in den Bauvorschriften nicht vollständig beschrieben sind.
• Identifizierung fehlender geologischer und geotechnischer Informationen, die für die Planung als wesentlich erachtet werden.
• Entwicklung eines Entwurfs, der an einen Beobachtungsaushub-Ansatz angepasst ist, wenn grosse geologische und geotechnische Unsicherheiten bestehen. Das bedeutet, dass mehrere Aushub- und Stützmethoden definiert werden müssen, um auf alle möglichen Szenarien vorbereitet zu sein.
• Sicherstellung der logistischen Machbarkeit. Das bedeutet, dass der Schacht und die ET-Abmessungen gross genug sein müssen, damit alle Geräte (z. B. Lüftungskanäle, Laserrohre) installiert und Betriebsanlagen aufgestellt werden können.
• Sicherstellen, dass die Übergänge zwischen Stollen und Höhlen oder Stollen und Schächten gross genug sind, um die Drehung der längsten Betriebsanlagen zu ermöglichen.
• Sicherstellung ausreichender Fluchtwege für Arbeiter während der Bauarbeiten sowie Begrenzung der Länge von Sackgassen, falls vorhanden.
• Sicherstellung der geometrischen Anordnung zur Erfüllung der Anforderungen an die Belüftung und den Brandschutz. Sicherheit bezieht sich in dieser Phase ausschliesslich auf die strukturelle Widerstandsfähigkeit der Infrastruktur gegenüber den Auslegungslasten. In dieser Phase der Konzeptentwurfsanalyse werden keine weiteren Massnahmen hinsichtlich der Sicherheit bewertet.

Technische Hürden

Eine der grössten technischen Herausforderungen beim Bau von ETs ist die Komplexität des ET-Layouts. Eckpunkte, an denen sich mehrere Kavernen befinden, wurden als besonders kritischer Aspekt für die Machbarkeit identifiziert.

Mehrere Vertiefungen entlang der Tunneltrasse stellen zusätzliche technische Herausforderungen dar, da sie voraussichtlich mit herkömmlichen Methoden ausgehoben werden. Die Auswirkungen auf die Kosten müssen berücksichtigt werden. Es ist wichtig zu beachten, dass ein unzureichender Abstand zwischen den Kavernen zu Stabilitätsproblemen der Pfeiler führen kann.

Beschränkungen des Wasserflusses innerhalb der Infrastruktur zur Gewährleistung eines ordnungsgemässen Betriebs könnten die Wasserdichtigkeitskriterien für Kavernen und Tunnel massgeblich beeinflussen, was wiederum die Anforderungen an die Innenauskleidung sowie den zu erwartenden Aufwand für Injektionsarbeiten vor dem Aushub festlegt. Falls die Tunnel flach bleiben müssen und dadurch kein Gefälle zulässig ist, stellt das Entwässerungsmanagement eine erhebliche Herausforderung dar. Die Klärung dieser offenen Fragen wird dazu beitragen, die derzeitige Unsicherheit des Projekts zu verringern.

Internationaler Kontext und Einbindung von Interessengruppen

Der Standort des EMR liegt strategisch günstig an der Schnittstelle dreier europäischer Länder: Belgien, Deutschland und den Niederlanden. Diese erstklassige Lage bietet bedeutende Möglichkeiten für Finanzierungen und technologische Kooperationen. Die Sicherstellung des Projekterfolgs hat daher für alle Mitarbeiter des ET EMR-Projektbüros oberste Priorität.

Die Abstimmung der Ziele der wissenschaftlichen Gemeinschaft mit der technischen Machbarkeit des Projekts stellt jedoch trotz gemeinsamer Anstrengungen eine grosse Herausforderung dar. Um diese Herausforderung zu meistern, ist ein einheitlicher Ansatz erforderlich, und sowohl Ingenieure als auch Wissenschaftler müssen die Grenzen ihres jeweiligen Stands der Technik erweitern.

Umweltaspekte

Der Bau des Einstein-Teleskops muss eine minimale Beeinträchtigung der Schutzgebiete der EMR-Region gewährleisten. Dazu gehört die Einhaltung strenger Richtlinien hinsichtlich Lärm, Vibrationen und Luftqualität. Darüber hinaus muss ein Schwerpunkt auf der Aufrechterhaltung des hydrologischen Gleichgewichts des Gebiets liegen. Veränderungen des Grundwasserspiegels durch Aushub- und Bauarbeiten könnten sich negativ auf die empfindlichen Ökosysteme in den Natura-2000-Gebieten in Limburg auswirken. Daher werden hydrologische Studien und nachhaltige Wassermanagementpraktiken eine entscheidende Rolle für die Machbarkeit spielen.

Internationale Zusammenarbeit und die Einbindung von Interessengruppen, darunter Umweltorganisationen und lokale Gemeinschaften, sind unerlässlich, um die rechtlichen und ökologischen Komplexitäten dieses Projekts zu bewältigen. Nur durch einen kontinuierlichen Dialog und Kompromisse bei den Umweltvorschriften kann das Einstein-Teleskop-Projekt verantwortungsbewusst vorangetrieben werden, sodass das Naturerbe erhalten bleibt und gleichzeitig wissenschaftliche Erkenntnisse gewonnen werden.

An der strategisch günstigen Schnittstelle zwischen Belgien, Deutschland und den Niederlanden gelegen, zielt dieses Projekt darauf ab, bahnbrechende Fortschritte in der Gravitationswellendetektion zu erzielen und gleichzeitig die komplexe Kombination aus technischen Herausforderungen, Umweltkonformität und Kosteneffizienz zu bewältigen. Dieses Projekt bietet jedoch auch die Chance, innovative und kosteneffiziente Lösungen zu finden, die weder Qualität noch Nachhaltigkeit beeinträchtigen. Die Zusammenarbeit zwischen Ingenieuren, Wissenschaftlern und Finanzexperten wird für die Optimierung der Ressourcen und das Erreichen der gewünschten Ergebnisse von entscheidender Bedeutung sein. Die Herausforderung, wissenschaftliche Anforderungen mit der Machbarkeit des Tunnelbaus in Einklang zu bringen, ist eine Chance, die Grenzen der Technologie zu erweitern. Ein ganzheitlicher und kooperativer Ansatz wird dazu beitragen, ein wirklich einzigartiges und bahnbrechendes Projekt zu schaffen, das sowohl die Tunnelbauindustrie als auch die wissenschaftliche Gemeinschaft inspirieren wird, die Möglichkeiten der Untergrundnutzung neu definiert und einen Meilenstein dafür setzt, wie gross angelegte wissenschaftliche Vorhaben verantwortungsbewusst und nachhaltig realisiert werden können.

• ET steering committee et al.2020. Einstein Telescope: Science Case, Design Study and Feasibility Report
• ET steering committee.2020. Design Report Update 2020 for the Einstein Telescope, ET Steering Committee Editorial Team
• ITA Report N°17. 2016. Recommendations on the development process for Mined Tunnels
• Amberg Engineering .2023. Minimum subsurface requirements from tunnels, shafts and caverns. Brussels
• Amberg Engineering & Tractebel.2024. Preliminary feasibility assessment based on Aubel’s borehole results. Brussels