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Warum russische Wissenschaftler das tiefste Loch in der Antarktis gebohrt haben

Антарктида
© Форпост Северо-Запад

Im Jahr 2020 jährt sich die Entdeckung der Antarktis durch russische Seefahrer zum 200. Zwei Jahrhunderte sind vergangen, seit die Menschen begannen, den sechsten Kontinent zu erforschen, inmitten heftiger Rivalitäten zwischen Staaten, die den Besitz des schneebedeckten Landes beanspruchen wollten. Es gibt jedoch auch Beispiele für eine erfolgreiche Zusammenarbeit, die es beispielsweise ermöglicht haben, den zyklischen Charakter des Klimawandels auf der Erde festzustellen. Die Forpost beschloss, herauszufinden, wie die Wissenschaftler das geschafft haben und ob die russische Wissenschaft in der Polarforschung wirklich führend ist.

Wer hat die Antarktis entdeckt und welche Geheimnisse birgt sie?

Die russischen Schiffe Wostok und Mirny unter der Führung von Thaddeus Bellingshausen und Michail Lazarew näherten sich am 28. Januar 1820 den Schelfeisflächen des südlichsten Kontinents. Einige Tage später fuhren auch Ausländer dorthin, was sie dazu veranlasste, uns die Vormachtstellung streitig zu machen. Lange Zeit, bis zur Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts, verlief die Suche nach dem ersten Fuß auf dem Eis der Antarktis jedoch eher schleppend.

Alles änderte sich 1948, als die USA mit der Schaffung eines internationalen Rechtssystems für die Verwaltung dieser Region begannen. Die Sowjetunion wurde nicht zu dem Dialog eingeladen, erklärte aber nachdrücklich, dass eine Teilung des Kontinents ohne ihre Beteiligung nicht möglich sei. Um ihre Entschlossenheit gegenüber dem Westen zu demonstrieren, eröffnete die UdSSR in der Folge rund zwanzig wissenschaftliche Stützpunkte dort - so viele, wie sich keine andere Macht leisten konnte.

Антарктида
© Форпост Северо-Запад

Einige von ihnen sind auch heute noch in Betrieb. Zum Beispiel die Station Wostok, die an einem der kältesten Orte der Erde liegt. Im Jahr 1983 wurde dort eine Rekordtiefsttemperatur von minus 89,2 °C gemessen. Selbst im Sommer, der auf der Südhalbkugel in die Monate Dezember und Februar fällt, steigt der Thermometerpfeil in diesem Gebiet selten über minus zwanzig Grad.

Die Station wurde 1957 im Rahmen der zweiten sowjetischen Antarktisexpedition gegründet. Und sieben Jahre später vermutete der berühmte Geomorphologe Andrei Kapitsa, der seismische Sondierungen des Inlandeises durchführte, dass sich darunter ein riesiger See befand. Diese Theorie wurde schließlich Ende der achtziger Jahre bestätigt, woraufhin russische, französische und amerikanische Spezialisten mit der Bohrung eines Brunnens begannen, der die Geheimnisse des seit Millionen von Jahren von der Erdatmosphäre isolierten Gewässers (seine Oberfläche liegt 3769 Meter unter der Erde) lüften sollte.

Антарктида
© Форпост Северо-Запад

Science-Fiction-Fans haben ernsthaft spekuliert, dass es dort draußen bisher unbekannte Tierarten geben könnte. Aber die Wissenschaftler waren an etwas anderem interessiert - an der Möglichkeit, herauszufinden, was vor Hunderttausenden von Jahren auf der Erde geschah.

Das Inlandeis

Tatsache ist, dass die Eisdecke der Antarktis aus so genanntem atmosphärischem Eis besteht, das aus festem Niederschlag gebildet wird - Schneekristalle, die in fester Form vom Himmel fallen. Aufgrund der anhaltenden Minustemperaturen schmelzen sie nicht, sondern sammeln sich Jahr für Jahr an, verdichten sich zu Firn und werden dann zu Eis, das sich allmählich vom Zentrum des Kontinents bis zu seinen Rändern ausbreitet.

Es ist leicht zu erkennen, dass das an der Oberfläche liegende Eis modern ist, und je tiefer es liegt, desto älter ist es. Wenn man beispielsweise einen Bohrkern aus 3200 Metern Tiefe entnimmt, liegt sein Alter zwischen 400 und 430 Tausend Jahren. Im Labor kann seine Gas- und Isotopenzusammensetzung im Detail untersucht werden, um herauszufinden, welche Ereignisse in der Erdatmosphäre stattfanden, als sie sich bildete, und zu welchen Auswirkungen sie führten.

Bohrtechnik

Антарктида
© Форпост Северо-Запад

Die Bohrungen zur Untersuchung der mit dem Klimawandel verbundenen Prozesse begannen in der Station Wostok bereits 1970. Die gesamte erforderliche Ausrüstung wurde von Wissenschaftlern des Leningrader Bergbauinstituts (der heutigen St. Petersburger Bergbauuniversität) unter der Leitung von Boris Kudrjaschow entwickelt, der die Theorie der Gesteinsbohrung durch Schmelzen sowie der thermischen und mechanischen Zerstörung von Eis entwickelt hat. Mit dem Bau der jetzigen Bohrung 5G (die fünfttiefste), die speziell zur Durchdringung des Sees führen sollte, wurde 1990 begonnen.

"Am Bergbauinstitut wurden die Grundlagen der Theorie der thermischen und mechanischen Eiszerstörung geschaffen, die Methoden zur Berechnung der technologischen Parameter des Bohrens, die Wahl der Rezeptur einer nicht gefrierenden Gießflüssigkeit, die benötigt wird, um die Verengung des Bohrlochs unter dem Einfluss von Gebirgsdruck und -temperatur zu verhindern, wurde konkretisiert. Außerdem wurden grundlegend neue halbautonome elektrothermische und elektromechanische Bohrwerkzeuge an einem Tragseil, Komplexe von stationären und mobilen Bohrausrüstungen, Steuerungs- und automatisierte Prozessleitsysteme entwickelt. Die Effizienz und Zuverlässigkeit der entwickelten Technologien lässt sich an der Stabilität ablesen, mit der die Bohrungen durchgeführt wurden", sagte Nikolaj Wassiljew, Professor an der Bergbauuniversität, der lange Zeit, bis 2015, die Bohrungen in der Station Wostok leitete.

Der Bau des Bohrlochs bis zu einer Tiefe von 2200 Metern wurde mit der Technologie des schmelzenden Eises, d. h. mit einem thermischen Bohrer, durchgeführt. Dann wurde ein mechanisches Verfahren angewendet, das von Wissenschaftlern der Universität St. Petersburg verbessert wurde. Das Eis wurde mit Messern geschnitten, die am Ende eines hohlen Rohrs befestigt waren. Sie würde tiefer in den Gletscher eindringen und einen Kern hinterlassen, der dann an die Oberfläche gehoben würde.

Антарктида
© Форпост Северо-Запад

Auf dem Foto: Der Thermodrilling-Kernbohrer zum Abteufen tiefer Bohrlöcher im Eis wurde am Lehrstuhl für Bohrtechnik der Bergbauuniversität St. Petersburg entwickelt und in den Versuchswerkstätten der Universität hergestellt. Sie wird jetzt im Bergbaumuseum aufbewahrt.

Bis 1998 arbeiteten die russischen Spezialisten in der Antarktis mit ihren französischen und amerikanischen Kollegen zusammen. Der erste leistete technische Unterstützung für das Projekt und versorgte die Expedition mit den notwendigen Hilfsmitteln, der zweite organisierte den Transport der Polarforscher zur Station "Wostock". In der Wirtschaftskrise der neunziger Jahre, die damals in Russland wütete, kam dies gerade zur rechten Zeit und war von großer Bedeutung.

Gegen Ende des letzten Jahrhunderts zogen die ausländischen Partner auf andere Stützpunkte um. Die Amerikaner boten jedoch weiterhin Transportdienste für unsere Wissenschaftler an, allerdings mit einem "kleinen Vorbehalt": Laut Vertrag durften die Russen in der Antarktis nur glaziologische Forschung betreiben, aber keine Bohrungen. Zu diesem Zeitpunkt wurden aus dem Ausland immer häufiger Stimmen laut, die Russland beschuldigten, "schmutzige" Technologien einzusetzen, die das einzigartige Ökosystem des Sees schädigen könnten. Insbesondere die Verwendung von Paraffin, Freon und Ethylenglykol zur Herstellung einer nicht gefrierenden Flüssigkeit.

Die Experten sind sich bis heute nicht einig, was in diesen Äußerungen mehr zum Ausdruck kam: echte Sorge um die Reinheit des Projekts oder Neid auf unsere Wissenschaft, die einmal mehr ihre Überlegenheit beweisen wollte. Schließlich war Ende der neunziger Jahre klar, dass niemand außer den Russen in der Lage sein würde, Innovationen zu entwickeln, die es ermöglichen würden, in den kommenden Jahren eine so tiefe Bohrung durchzuführen und Proben aus einem Reliktgewässer zu gewinnen.

Wie dem auch sei, die Bohrarbeiten am größten subglazialen See der Erde wurden 1999 etwa 120 Meter vor der geplanten Oberfläche eingestellt. Und die University of Mines begann mit der Arbeit an einer neuen Art von Gießflüssigkeit, die 2003 abgeschlossen wurde.

Восток
© Форпост Северо-Запад

Im Jahr 2015 wurde eine Gruppe von Wissenschaftlern der Bergbauuniversität und des Arktis- und Antarktis-Instituts mit dem Wissenschafts- und Technologiepreis der russischen Regierung ausgezeichnet, "für die Entwicklung der theoretischen Grundlagen umweltfreundlicher Technologien und technischer Mittel für Bohrungen sowie für deren Umsetzung unter den eisigen Bedingungen der Antarktis". Zu diesem Zeitpunkt war es ihnen bereits zweimal gelungen, in den See einzudringen und die begehrten Proben des alten Wassers zu gewinnen.

Wissenschaftliche Ergebnisse und Perspektiven für den Einsatz der Technologie

"Die Ergebnisse der isotopischen und glaziologischen Untersuchungen der antarktischen Eiskerne sind von rein praktischer Bedeutung. So konnten wir zum Beispiel zum ersten Mal die Zyklizität des Klimawandels auf der Erde nachweisen, indem wir vier Eiszeiten und Zwischeneiszeiten nachzeichneten. Außerdem ist die Dauer der mikrobiellen Anabiose von mehr als 200.000 Jahren wissenschaftlich erwiesen. Erstmals wurden für den zentralen Teil der Antarktis Daten über das Temperaturregime des Eisschildes gewonnen, die die Grundlage für die mathematische Modellierung der Wärme- und Stofftransportprozesse im Gletscher bildeten. Und die Ergebnisse sowohl der thermischen als auch der mechanischen Bohrungen haben es unserem Land ermöglicht, weltweit die Führung bei Tiefseebohrungen zu übernehmen", sagt Andrey Dmitriev, außerordentlicher Professor der Bergbau-Universität, der an der 64. russischen Antarktis-Expedition 2018/19 teilgenommen hat.

Антарктида
© Форпост Северо-Запад / Данил Сербин

Die Aussichten für den Einsatz der Technologie sind viel größer. So glauben die NASA-Spezialisten, dass die Untersuchung der Kerne der Antarktis der erste Schritt ist, um Spuren von Leben auf dem Mars, dem Pluto, dem Jupitersatelliten Europa und anderen Himmelskörpern zu finden, wo ebenfalls Gletscher liegen, unter denen Wasserflächen lauern.

Es gibt eine bodenständigere Version, bei der einzigartige Bohranlagen und Hilfsgeräte zum Einsatz kommen könnten, die unter den rauen Bedingungen der Antarktis "kampferprobt" werden. Es ist kein Geheimnis, dass es auf der anderen Seite der Erde, in den Tiefen der Polarregion, nach den konservativsten Schätzungen etwa 412 Milliarden Barrel Öläquivalent gibt. Den Löwenanteil an diesen Ressourcen teilen sich Russland, die USA und Dänemark, die über 88 % des Reichtums der Region verfügen.

Bohrungen in der Arktis erfordern auch Arbeiten im Permafrost und in einem unwirtlichen Klima. Gleichzeitig sind die Schlussfolgerungen der Experten eindeutig: In den kommenden Jahrzehnten werden die Hauptantriebskräfte für die Entwicklung der Öl- und Gasindustrie die Felder sein, die sich auf dem Schelf des Arktischen Ozeans oder in den angrenzenden Küstengebieten befinden. Das bedeutet, dass die weitere Führung unseres Landes bei der Kohlenwasserstoffproduktion weitgehend von der Verfügbarkeit einheimischer Technologien abhängt, insbesondere derjenigen, die derzeit in der Station Wostok eingesetzt werden.