Digitaler Deichschutz

Auf den Meter genau und im Nanosekundentakt überwacht die Technologie des Berliner Start-ups "fibrisTerre" Deiche und Mauerwerk und soll so Katastrophen verhindern.

Am 21. Januar 2011 war es soweit. Um 12 Uhr ließ die Oberbürgermeisterin der Stadt Brandenburg an der Havel die Alarmstufe III ausrufen. Während der Krisenstab über weitere Schritte beriet, begannen Feuerwehrmänner Kontrollen einzuteilen, die nun die Deiche auf Risse hin überprüfen sollten.

Zum gleichen Zeitpunkt arbeitete im 80 Kilometer entfernten Berlin Nils Nöther vom Start-up "fibrisTerre" daran, solche Kontrollgänge überflüssig zu machen.

Nöther hat einen digitalen Sensor auf Basis einer einzigen Glasfaser entwickelt, der feinste Erdbewegungen detektiert. Dammbrüche, Erdrutsche, Lawinen und künftig sogar Gebäudeeinstürze lassen sich damit vorhersagen. Denn Tage bis Monate bevor sie eintreten, kündigt sich das Inferno oft mit Zuckungen im Erdreich oder Bauwerk an. "Menschen können mit unserer Technik rechtzeitig evakuiert und Vorkehrungen getroffen werden", so Nöther. Der Ansatz eigne sich für Mauerwerk und Dämme ab einer Länge von 300 Metern. Sogar Katastrophen wie den Zusammensturz des Kölner Stadtarchivs im Jahr 2009 hätte die Technologie verhindern können, glaubt der promovierte Diplomingenieur.

"Mit unserer Faser können wir jedes Bauwerk lückenlos überwachen und die Belastung an jedem Punkt aufzeichnen", betont Nöther. Neben Deichen können so Deponien, Bergbaugruben, Pipelines und Bohrlöcher, aber auch Tunnel mit einem durchgängigen Glasfasersystem versehen werden.

Beispielsweise wurde nach einer Hangrutschung auf der Insel Rügen in den Küstenabschnitt bei Lohme eine 200 Meter lange Faser von fibrisTerre eingelassen, um gewarnt zu sein, wenn die Erde erneut in Bewegung gerät. Der Sensor, eine ein Achtel Millimeter dicke Glasfaser, die mit Kunststoff ummantelt ist, wird dazu entweder als Einzelstrang oder in Form von Matten im Erdreich platziert. Der Vorteil der Matten ist, dass diese schon heute gegen Erosion, Hangrutsche und Steinschlag verwendet werden und Baufirmen daher mit dem Material umzugehen wissen.

Ob Matte oder Strang – jede einzelne gewöhnliche Glasfaser erspürt jeden noch so feinen Riss auf einer Strecke von einigen Hundert Metern bis zu etlichen Kilometern und meldet das Rumoren in der Erde auf den Meter genau.

Zwei unterschiedliche Lichtwellen werden dazu an den jeweiligen Enden in Form eines Lasers durch die Faser geschickt. Dadurch kommt es zu einer Gitterschwingung, die wiederum ein Streulicht hervorruft, dessen Impulse teilweise zurückgeworfen werden. Die Frequenz dieser Retoure hängt von der Dehnung der Faser ab. Wenn sie sich biegt, weil beispielsweise Wassermassen gegen einen Damm drücken, kann aus dem Lichtsignal abgeleitet werden, ob und – auf einen Meter genau – an welcher Stelle dieser brechen wird. Physiker bezeichnen diese Methode als "stimulierte Brillouin-Frequenzbereichsanalyse".

Die Idee, Glasfasern zur Bauwerksüberwachung zu nutzen, kam schon in den neunziger Jahren auf. Mittlerweile stecken die Fühler bereits in Tunneln und Pipelines. "Aber bisherige Systeme basieren auf klobigen Apparaten, die in einem klimatisierten Messcontainer stehen müssen. Das ist sehr teuer und aufwendig", erklärt Nöther.

Ihm ist es weltweit erstmals gelungen, die Messmethode von Analog- auf Digitaltechnik umzustellen und damit in ein kleines handliches Gerät zu packen. Die Digitalisierung bewerkstelligte der 32-Jährige, indem er das Laserlicht nicht mehr kontinuierlich durch die Fasern schickt, sondern als einzelne Lichtpakete im Nanosekundentakt, die sich in Nullen und Einsen übersetzen lassen. "Dadurch gibt es kaum noch Rauschen. Unser Signal ist sehr viel sauberer. Das Gerät braucht außerdem weniger Strom." FibrisTerre kann den digitalen Fasersensor folglich preiswerter anbieten als die Konkurrenten.

Nöther veranschlagt 200.000 Euro für eine Strecke von zehn Kilometern. "Die Betreiber wollen erschwingliche Systeme. Preise im oberen sechsstelligen Bereich schrecken sie ab", erklärt Katerina Krebber, Physikerin an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Berlin. Sie hatte Nöthers Doktorarbeit betreut. Ab Sommer 2011 will die BAM den Prototyp von fibrisTerre testen. Erfahrungen mit der neuen Technik sind die Eintrittskarte in den Markt, weiß Nöther.

Diese Erfahrung musste auch der Geotechniker Rainer Götzel machen, der ebenfalls mit optischen Sensoren arbeitet. Am geplanten Autobahnkreuz Kattowitz erwogen polnische Ministerien anfangs die digitalen Nervenfasern einzusetzen, da aufgelassene Schächte im Untergrund die Stabilität der Fahrbahn bedrohen. Doch sie wagten sich bei dem Millionenprojekt nicht an die neue Technik heran und entschieden sich für eine beschränkte, aber bewährte Methode – Einzeldehnungsmessstreifen. "Der Schwachpunkt ist, dass die Techniker die Einzeldehnungssensoren genau da anbringen müssen, wo die künftige Katastrophe passiert", urteilt Götzel, der mit fibrisTerre kooperiert. "Und Sie wissen ja: Der Einbrecher kommt immer durch das Kellerfenster, das nicht gesichert ist." Glasfasern gewährleisteten dagegen eine räumliche und zeitliche Rundum-Überwachung. Die Daten könnten permanent am Messgerät verfolgt werden.

Nöther lässt sich von der Absage nicht entmutigen. Etliche Firmen interessieren sich schon für seinen Erdrutschfühler. Zudem erwägen Beamte in den Ministerien, mittelfristig Alarmsysteme für bestimmte Bauwerke vorzuschreiben. Auch mit dem Hochwasser-Beauftragten des Landes Brandenburg stehe man in regem Kontakt, so Nöther. (bsc)