Wenn der Permafrost instabil wird

Ingenieure versuchen, den auftauenden Boden in der Arktis in den Griff zu bekommen. In den Alpen drohen Felsstürze. Doch die Schweiz reagiere nicht angemessen, warnen Experten.

Auf Permafrost gebaut: In der russischen Stadt Norilsk mussten die allermeisten Häuser abgerissen werden. Foto: Panos, Visum

Auf Permafrost gebaut: In der russischen Stadt Norilsk mussten die allermeisten Häuser abgerissen werden. Foto: Panos, Visum

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1968 glaubten die Sowjets, sie hätten den Permafrost besiegt. Ein Wandgemälde an einem der neuen Wohnblocks in Norilsk (Zentralsibirien) feierte die Eroberung des gefrorenen Bodens. Elf Jahre später hatte sich die Botschaft an die Werktätigen geändert. Nun stand an der Wand der Aufruf, beim Verlassen der Wohnung die elektrischen Geräte vom Netz zu trennen. Offenbar sollte das die Feuergefahr senken. «Da hatte der Permafrost begonnen, Norilsk zurückzuerobern», sagt Nikolay Shiklomanov von der George Washington University in der US-Hauptstadt, der die sibirische Stadt besucht hat.

Bis heute zeigen sich die Effekte: In manchen Strassen wurden bis auf eines alle Häuser wieder abgerissen. In der Statistik sichtbar wurde die Rache der Elemente spätestens ab 1990: Waren in den drei Jahrzehnten zuvor fast 600 Wohnblocks für 115'000 Menschen entstanden, sank die Zahl und Grösse neuer Häuser nun rapide. «Die Stadt ist von 300'000 auf 176'000 Einwohner geschrumpft, und dennoch herrscht massive Wohnungsnot», berichtete Shiklomanov auf einer Tagung zum Thema Permafrost in Potsdam. Von den im Jahr 2010 verzeichneten 1038 bewohnten Gebäuden waren 174 leicht, 94 stark beschädigt.

Gewaltige Herausforderung

Der gefrorene Boden ist eine gewaltige Herausforderung für Ingenieure, die darauf Häuser, Strassen, Eisenbahngleise, Brücken oder Pipelines verankern wollen. Er ist in der Arktis allgegenwärtig: Wer darauf nicht bauen kann, vermag den Lebensraum kaum zu nutzen. Schon wegen der reichhaltigen Rohstoffvorräte aber wollen die Länder am Polarkreis die Region nicht den indigenen Völkern überlassen. Doch die Infrastruktur erzeugt Wärme im gefrorenen Boden. Sie verändert die Zyklen von steigenden und sinkenden Temperaturen und vergrössert die «aktive Schicht», die im Wechsel der Jahreszeiten auftaut und gefriert. Selbst wo Ingenieure den Effekt nach allen Regeln ihrer Kunst minimieren, verschärft der Klimawandel die ­Anforderungen.

Sorgen über die Tragkraft von gefrorenem Grund müssen sich auch Länder mit Hochgebirge machen. «Andere Staaten haben Permafrost unter den Füssen, wir haben ihn über den Köpfen», sagt José Romero vom Eidgenössischen Departement für Umwelt und Verkehr. Eine Gefahr geht von Felsstürzen aus: So donnerten im September 2015 am Ende eines heissen Sommers 80'000 Kubikmeter Material vom Grand Dent de Veisivi im Wallis zu Tal. Am Montblanc gab es im gleichen Jahr 160 Steinlawinen, die grösste beförderte 22'000 Kubikmeter.

In der Schweiz gibt es darum das Überwachungssystem Permos. Sein Herz sind 28Bohrlöcher, in denen die Temperatur bis in Tiefen von 100Metern gemessen wird. Hinzu kommen zwei Dutzend Instrumente, die verschobene Felsen oder schrumpfendes Eis messen. «Seit 2009 sehen wir einen klaren Trend bei Temperaturen und dem Tempo der kriechenden Felsen», sagt Jeanette Nötzli vom Institut für Schnee- und Lawinenforschung in Davos (SLF). «Wir haben das Signal des Klimawandels gefunden.»

Schweizer Reaktion ist nicht ausreichend

Doch die Reaktion darauf ist nicht ausreichend, mahnt Lukas Arenson, der nach einem Ingenieurstudium an der ETH Zürich in Kanada arbeitet. «Das wird in der Schweiz unsystematisch angegangen», kritisiert er. «Der Klimawandel müsste in der Praxis als Bemessungswert angewandt werden, so wie dies zum Beispiel für Hochwasser mit 100-jähriger Ein­tretenswahrscheinlichkeit getan wird. Dann wären Bauherren gezwungen, sich darauf einzustellen.» Arenson ist zurzeit in seiner Wahlheimat am Entwurf einer neuen Baunorm beteiligt, die demnächst in die öffentliche Kommentierung geht. Sie verlangt, bei der Planung von Strukturen auf Permafrost die zu erwartenden Veränderungen durch den Klimawandel zu berücksichtigen.

In der Schweiz ist Vergleichbares nicht in Sicht. Es gibt einen Leitfaden des SLF für das «Bauen im Permafrost», der allerdings nicht bindend ist wie die geplante Norm in Kanada. Immerhin, so erzählt Pierre Dalban Canassy von der Firma Geotest in Zollikofen, wird der Fels rund um die neue Bergstation in gut 3800 Meter Höhe am Klein-Matterhorn mit Temperatur- und Ausdehnungssensoren durchzogen, um Veränderungen zu erkennen.

Gekühlte Fundamente

Besonders mit der Instabilität des Permafrosts zu kämpfen haben die «grossen vier», auf die der Löwenanteil der 20 Millionen Quadratkilometer ständig gefrorenen Bodens entfällt: Russland, Kanada, die USA und China. Letzteres grenzt zwar nicht an die Arktis, will aber seine Kontrolle über Tibet mit Hochspannungs­leitungen, einer Eisenbahn und Strassen über das von Permafrost durchzogene Hochplateau festigen. Dort könnte der Permafrost bei einer ungebremsten Erwärmung zum Ende des Jahrhunderts beinahe komplett verschwinden, zeigen Modellrechnungen. Daher nutzen die chinesischen Ingenieure zum Beispiel für die gut 1200 Hochspannungsmasten auf Permafrost vier verschiedene Typen von Betonfundamenten, die entweder besonders tief in den Boden versenkt wurden oder sich am unteren Ende ­tellerförmig verbreiterten.

Viele Fundamente werden sogar gezielt gekühlt: Die Ingenieure haben bis zu vier sogenannte Thermosyphons pro Pfeiler eingesetzt. Dabei handelt es sich um verkapselte Metallrohre, die oben aus dem Betonpfeiler ragen. Sie sind mit einem Kältemittel wie Kohlendioxid gefüllt, das unter hohem Druck verflüssigt wurde. Ist im Winter der Boden wärmer als die Luft, verdunstet das Mittel unten im Rohr. Das Gas steigt auf – oben angekommen, kondensiert es wieder und tropft zurück. Die Wärme wird dabei aus Fundament oder Untergrund gezogen und an die Luft abgegeben. Im Sommer hingegen stellt sich im Rohr ein stabiler Zustand ein; es leitet dann keine Wärme ins Erdreich. «Mit solchen Thermosyphons kann man den Boden regelrecht kühlen und zum Beispiel auch Erddämme einfrieren», sagt ETH-Ingenieur Arenson, der das Verfahren beim Deich einer kanadischen Diamantenmine einsetzt, die in einem See liegt. Mit Thermosyphons kühlt auch die Firma von Torsten Mayrberger die Pfeiler einer neuen Brücke in Alaska. 430 Meter misst sie, nach Darstellung des deutschstämmigen Ingenieurs von der Firma PND Engineers ist sie die längste der nordamerikanischen Arktis.

Leichte Stahlkonstruktion

Solchen Aufwand können Ingenieure bei den vielen Hundert Kilometer langen Pisten und – vor allem in Asien – Gleisen der Arktis nicht treiben. Sie behelfen sich mit meterhohen Unterkonstruktionen aus zerstossenem Fels, durch deren Poren Luft zur Kühlung unter der Fahrbahn hindurchströmen kann. Quer eingezogene Rohre können die Zirkulation noch verbessern. Senkrecht stehende Schornsteine lassen die angestaute Wärme mittels des Kamineffekts aus der Kons­truktion entweichen. Über kritischen Stellen der Böschung bringen die Planer Blenden an, die Schatten spenden; helle Beimischungen im Strassenbelag oder weisser Kies im Gleisbett verhindern die Absorption von Sonnenlicht. Geflochtene Matten aus Kunstfasergewebe leiten Feuchtigkeit ab und verhindern ein Verrutschen des Baumaterials. Dennoch passiert es immer wieder, dass sich gerade unter den Böschungen der Strassen die aktive Schicht deutlich vertieft. Die übliche Folge sind Längsrisse und Senkungen am Rand der Fahrbahn.

Für die Wohnungsprobleme in der russischen Arktismetropole Norilsk zeichnet sich womöglich eine Lösung mit kanadischer Technik ab. Wie Shiklomanov berichtet, wurde dort vor kurzem zum ersten Mal seit Jahrzehnten ein neues Wohnhaus gebaut. Statt der früher üblichen Gebäude aus schweren Fertigbauelementen errichteten die Arbeiter auf einem der alten Fundamente eine leichte Stahlrahmenkonstruktion, die mit stark isolierten Wänden verkleidet wurde – und nur drei Stockwerke hat statt der früher üblichen fünf bis neun. (Tages-Anzeiger)

Erstellt: 14.09.2016, 18:15 Uhr

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