Mit Sand Regenwasser abhalten: RUB eröffnet geologische Versuchslabore

Lehrstuhl Angewandte Geologie eröffnet Versuchslabore – Forschungsergebnisse eins zu eins übertragbar

Computerprogramme sind nur so lange gut, wie man sie mit den richtigen Werten füttert. Die richtigen Werte bekommt man in den Naturwissenschaften durch Experimente heraus. Diese Experimente müssen jedoch übertragbar sein, also unter gleichen Bedingungen stattfinden wie außerhalb der Labore. Der Lehrstuhl Angewandte Geologie der Ruhr-Universität Bochum eröffnet heute seine neuen Versuchsanlagen, die solche Bedingungen bieten: „Wir ermitteln dort Zahlen, die man eins zu eins in die Praxis übertragen kann“, sagt PD Dr. Frank Wisotzky. Die Werte sollen die Grundlage für Computerprogramme bilden, die berechnen, wie Schadstoffe mit dem Grundwasser transportiert werden. Das ist wichtig, sobald an einer Stelle giftige Stoffe in den Boden gelangen, die gefährlich für die Trinkwasserversorgung sein können. Beispiele dafür sind Mülldeponien, Altlasten oder auch Unfälle.

In Rinne Mülldeponieabdichtung simulieren

Die zentrale Anlage der neuen Labore ist die Großversuchsrinne. In diesem länglichen Kasten (Länge: zehn Meter) mit Plexiglasscheiben testen die Wissenschaftler die Dichtigkeit von Kapillarsperren. Dabei handelt es sich um eine relativ neue Methode, um Mülldeponien gegen Regen abzudichten. „Eigentlich ist es ja gar nicht so schlimm, wenn Wasser in die Deponie eintritt – nur leider würde dieses Wasser dann auch irgendwo wieder herauslaufen und Schadstoffe ins Grundwasser spülen“, erklärt Prof. Dr. Stefan Wohnlich. Eine Kapillarsperre besteht aus zwei verschiedenen Schichten. Die untere ist der Kapillarblock. Sie besteht aus grobem Material, wie zum Beispiel Kies. Die obere Schicht (Kapillarschicht) besteht aus einem feineren Material, zum Beispiel Sand. Diese Abdichtung funktioniert allerdings nur auf abschüssigem Untergrund, der Regen muss zur Seite abfließen können. Das Wasser wird in der oberen Schicht den Hang hinab geleitet, unten sammelt es sich dann etwa in einem Auffangbecken.

Prinzip der Kapillarsperre

Das Prinzip dieser Abdichtung ist die Kapillarkraft, die durch die molekularen Eigenschaften des Wassers und der Bodenkörner entsteht. Wasser hat eine geringe Oberflächenspannung, es ist eine benetzende Flüssigkeit. Benetzend heißt, dass das Wasser mit möglichst viel Oberfläche des Bodens in Kontakt kommen möchte. Die obere, feinere Schicht hat viel mehr Oberfläche als der Kies, also sammelt sich das Wasser dort, um dann der Schwerkraft folgend den Hang hinab zu fließen. In die Versuchsrinne bauen die Wissenschaftler die zwei Schichten ein, kippen das Gerät um einen bestimmten Winkel und lassen künstlichen Regen darauf fallen. Momentan haben sie Kies aus einer nah gelegenen Kiesgrube eingefüllt, in Zukunft wollen sie Material testen, das bei Mülldeponien verwendet werden soll.

Bodenproben mit Wasser durchspülen

Das Säulenlabor ist ein komplett neu eingerichteter Raum, in dem die (oft wochenlang dauernden) Säulenversuche ablaufen sollen. Die Säulen sind Rohre aus Plexiglas. Sie haben einen Durchmesser von ca. zehn Zentimetern und sind zwischen 20 Zentimeter und einen Meter hoch. In ihnen wird getestet, wie sich Schadstoffe wie Sulfat, Chlorid und Nitrat oder auch Schwermetalle wie Cadmium, Blei oder Zink in verschiedenen Bodenproben verhalten. Dafür werden die Säulen mit Bodenproben aus gefährdeten Regionen befüllt, zum Beispiel mit Material unter Mülldeponien oder aus dem Umfeld von Wasserwerken oder Bergbaugebieten. Anschließend werden die Säulen mit schadstoffbelastetem Wasser durchspült. In bestimmten Abständen entnehmen die Wissenschaftler dann austretendes Wasser und untersuchen seine chemische Zusammensetzung. So können sie feststellen, ob und wie schnell die Schadstoffe abgebaut werden, ob sie von Mikroorganismen aufgenommen oder im Gestein hängen geblieben sind („Sorption“). Wurden sie teilweise abgebaut, finden die Wissenschaftler vermehrt schwerere Atome als vorher (die isotopische Zusammensetzung ändert sich). Außerdem befindet sich im Wasser dann mehr Kohlendioxid. Die Säulenversuche laufen bei zehn Grad Celsius und ohne Sauerstoff ab, denn das sind auch die Umweltbedingungen im natürlichen Grundwasser. Durch Durchlaufsäulen wird das Wasser nur einmal geleitet, durch Kreislaufsäulen immer wieder. Letztere werden bei Schadstoffen benutzt, die extrem langsam abgebaut werden.

Technisches Großgerät

Eine weitere Anschaffung des Lehrstuhls Angewandte Geologie ist die GC/MS Varian 1200 L (Quadrupol), ein technisches Großgerät, das einen Gaschromatographen und ein Massenspektrometer kombiniert. Der Chromatograph ist ein Gerät, das Substanzen voneinander trennt, im Massenspektrometer werden diese dann identifiziert. Das läuft voll automatisch und hilft den Wissenschaftlern bei der Analyse der Wasserproben aus den Säulenversuchen. Das teure Gerät wurde mit HBFG-Mitteln finanziert (Hochschulbauförderungsgesetz).

Seltenheit in Deutschland

Bisher ist es nur an wenigen Stellen in Deutschland möglich, übertragbare Werte für das Verhalten von Schadstoffen in Großversuchen zu ermitteln. Die einzigen drei weiteren Standorte dafür sind Stuttgart (VEGAS), München (GSF) und Halle (UFZ). Dass solche Untersuchungen dringend benötigt werden, verdeutlichen die drei BMBF-Verbundforschungsprojekte (Bundesministerium für Bildung und Forschung) zum Thema Grundwasser: „Sickerwasserprognose“, „Natural Attenuation“ und „Reaktive Wände“. An den ersten beiden ist auch der Lehrstuhl Angewandte Geologie beteiligt.

Weitere Informationen

PD Dr. Frank Wisotzky, Lehrstuhl Angewandte Geologie, Raum NA 3/126, Tel.: 0234/32-23967, E-Mail: wisotzky@geol3.ruhr-uni-bochum.de

Prof. Dr. Stefan Wohnlich, Lehrstuhl Angewandte Geologie, Raum NA 3/124, Tel.: 0234/32-23294, E-Mail: swo@geol3.rub.de