Glasfaserkabel: Der ungehobene Datenschatz der Tiefsee
Die Katastrophe ist fast 20 Jahre her, doch noch immer sitzt bei den Besitzern von Strandrestaurants, Booten und Hostels auf Sumatra die Angst vor dem Meer tief. Die indonesische Stadt Band Aceh an der Nordspitze der Insel lag Weihnachten 2004 im Epizentrum des verheerenden Tsunamis, der 230.000 Todesopfer forderte, halb Südostasien verwüstete und dessen meterhohe Wellen noch an der tausende Kilometer entfernten afrikanischen Ostküste große Schäden anrichteten. Beben bis 9,0 auf der Richterskala wurden vor Banda Aceh im Meer ermittelt, es gehörte zu den drei stärksten, die weltweit je gemessen wurden. „Klar, wir leben immer noch am und vom Meer“, sagt Amir Tarigan, der ein paar Kilometer westlich von Banda Aceh eine kleine Tauchbasis nebst Café und Ausflugsbötchen betreibt, „aber im Meer oder am Strand zu sein, wird sich nie mehr so anfühlen wie vor 2004.“ Er schaue immer noch alle paar Minuten sorgenvoll auf die Wellen, „man hat die schnellsten Fluchtwege immer im Kopf“, sagt Tarigan.
Inzwischen haben die betroffenen Länder viel getan. Nicht nur in Indonesien und Thailand, den neben Myanmar am schlimmsten betroffenen Ländern. Die Monsterwelle von 2004 hat weltweit einen Schub von Investitionen in Tsunami-Warnsysteme ausgelöst. Fast überall entlang des pazifischen Ozeans wurden sie installiert, auch im Mittelmeer, in Italien, Griechenland oder der Türkei etwa.
Ein Problem aber blieb: Gerade ärmere Entwicklungsländer und dünn besiedelte Regionen sind mit den Warnsystemen unterversorgt, denn die aufwendige Technik aus Spezial-Bojen, Satelliten und Seismografen ist sehr teuer und schwierig zu installieren. Das DART-System der USA etwa, kurz für Deep Ocean Assessment and Reporting of Tsunamis, besteht aus Dutzenden von Spezial-Bojen, von denen jede mehr als 500.000 Dollar kostet und jeweils weitere 300.000 Dollar pro Jahr nur für die Wartung verschlingt.
Der globale Kabelschatz
Forscher aus Kalifornien und aus Zürich haben nun unabhängig voneinander Systeme entwickelt, die diese Warntechnik überflüssig machen könnten. Sie nutzen die überall in der Welt verlegten Glasfaserkabel für Daten und Telefon zur Erdbeben- und Tsunami-Detektion. Mehr als 1,2 Millionen Kilometer solcher Glasfaser-Fernkabel verbinden Länder und Kontinente. Noch vor 20 Jahren waren es gerade mal ein paar Zehntausend Kilometer. Heute misst allein das bisher größte Unterseekabelnetzwerk, SEA-ME-WE-3, 40.000 Kilometer - das entspricht der Strecke einmal rund um den Äquator.
Die Idee, dieses wachsende Kabelnetz für Erdbebenwarnungen zu nutzen, „geistert schon seit über zehn Jahren durch die Community“, sagt Andreas Fichtner, Geophysiker an der ETH Zürich. Der 44-Jährige ist seit 2013 Professor für Seismologie und Wellenphysik am Institut für Geophysik der ETH Zürich. Zusammen mit Sebastian Noe und Forschern des Eidgenössischen Instituts für Metrologie ist es Fichtner vor kurzem gelungen, diese Idee in einem glasfaserkabelbasierten Geo-Warnsystem umzusetzen.
Zack Spica, Seismologe am California Institute of Technology in Pasadena bei Los Angeles, hat mit seinem Team ein ganz ähnliches Erdbeben- und Tsunami-Warnsystem entwickeln. Wie die Zürcher Forscher nutzen auch die Kalifornier dafür die vorhandenen Datenkabel im Meer. „Die Telekom-Konzerne der Welt haben uns in den letzten 30 Jahren für hunderte von Milliarden Dollar dankenswerterweise die nötige Hardware schon installiert“, scherzt Spica. Tatsächlich sei die Idee selbst nicht neu. Aber: „Erst jetzt ist es gelungen, verlässlich funktionierende Warnsysteme darauf zu setzen“, sagt Spica, „dank besserer Photonik und nicht zuletzt dank mehr bezahlbarer Rechenleistung, um die ununterbrochene Datenflut aus dem globalen Kabelnetz auch sinnvoll auszuwerten.“
Spicas System misst Abweichungen von der Standard-Lichtgeschwindigkeit in den Kabeln. „Manche Photonen werden aus den Kabeln zurück zur Lichtquelle geworfen“, erklärt Spica. „Dazu brauchen sie eine bestimmte Zeit. Je mehr Photonen zurückkommen, desto stärker das Störereignis, und je länger sie brauchen, desto weiter ist die Störquelle entfernt.“
Auf diese Weise lassen sich seismische Ereignisse wie Beben nicht nur erkennen, sondern auch ziemlich genau orten. Spica und seine Kollegen haben ihr System bereits vor der Küste Alaskas, Japans, Spaniens und in den Großen Seen zwischen den USA und Kanada installiert. „In Oregon an der US Pazifikküste konnten wir 2023 einen Tsunami detektieren und nachweisen, dass sein Epizentrum 1300 Seemeilen vor der Ostküste Südamerikas lag. Das war nicht einmal der selbe Ozean“, sagt Spica.
Auch das System der ETH-Forscher aus Zürich sei sehr sensitiv, betont sein Kollege Fichtner: „Es kann bereits sehr schwache Erdbeben ab einer Stärke von 3,9 auf der Richterskala erkennen.“ Herkömmliche Systeme mit Seismographen und Bojen warnen meist erst ab Stärke 6,5.
Anders als die kalifornischen Kollegen muss Fichtner dazu nicht einmal die Abweichungen einzelner Photonen von der Lichtgeschwindigkeit nachmessen: Die Schweizer Forscher nutzen Daten, die die Telekomkonzerne ohnehin rund um die Uhr sammeln und werten sie mit einer selbst programmierten Software aus.
Daten werden in Glasfaserkabeln von Lichtwellen übertragen. „Schon kleinste Erschütterungen der Kabel beeinflussen diese Lichtwellen“, erläutert Fichtner. Das passiere rund um die Uhr. „Die allermeisten dieser Erschütterungen sind seismologisch gesehen völlig harmlos. Die Ursachen können Boote, große Fische oder kleinste Erdrutsche sein.“ Für die Telekom-Gesellschaften aber sind die ständigen Stöße gegen ihre Kabel ein Ärgernis, denn sie beeinträchtigen die Qualität der Datenübertragung.
Die Telekommunikationskonzerne eliminieren die Störungen daher mit einer Technologie, die ähnlich der von Noise-Cancelling-Kopfhörern funktioniert: Das Störsignal, auch Rauschen genannt, wird genau analysiert, von einer Elektronik in sein Spiegelbild verkehrt und wieder eingespeist, so dass es für das menschliche Ohr nicht mehr wahrnehmbar ist.
Anders als für die Telekom-Gesellschaften liefert das unerwünschte Rauschen Fichtner und seinen Mitforschern aber wertvolle Daten. „Wir können aus den Abweichungen von der Standard-Lichtwelle Hinweise auf seismische Ereignisse in der Nähe der Kabel gewinnen.“ Die Schweizer Forscher benötigen weder Seismografen, noch andere teure Geräte. „Wir müssen die Stör-Daten, die die Telekomkonzerne üblicherweise löschen, lediglich speichern und sie später gezielt mit unserer Software auswerten“, sagt Fichtner.
Dass das Potenzial seiner Glasfaserverbindungen über die Übertragung von Informationen hinaus reicht, überrascht Nokia-Europa-Chef Rolf Werner nicht. „Sie registrieren auch regulären Netzbetrieb Störungen – bis hin zu Manipulationsversuchen“, sagt Werner. Umso besser, dass sich nun weitere Nutzungsmöglichkeiten auftun, denn die Netzbetreiber bekommen im interkontinentalen Datenverkehr immer mehr Konkurrenz durch Satelliten, auch niedrig fliegende, wie die des US-Konzerns Starlink von Tesla-Chef Elon Musk.
Vor dem vulkangeplagten isländischen Ort Grindavík und bei einem der seltenen Erdbeben im südlichen Rheingraben hat das System der ETH-Zürich-Forscher bereits seine Praxistauglichkeit bewiesen: Die Messungen entsprachen exakt denen der klassischen Seismografen.
Bis zu einem fertigen, kommerziell einsetzbaren System sei aber noch einiges an Optimierung zu leisten, betont Fichtner. Ein Problem dabei: Die Unterseekabel müssen sehr gut mechanisch mit dem Untergrund verbunden sein. „Wenn ein Glasfaserkabel nicht gut und plan auf dem Grund liegt, ist die Datenqualität meist zu schlecht“, so Fichtner.
Und es gibt noch eine Einschränkung: In einigen Regionen, etwa im Nordatlantik, decken die Interkontinentalkabel nicht genügend Raum ab für eine lückenlose Erdbeben-Detektion: Sie liegen alle in einem relativ engen Korridor südlich von Grönland. „Eine mögliche, relativ effiziente Lösung wäre, in solchen Regionen eigene Kabel einzubringen“, sagt Fichtner.
Während die ETH-Forscher ihr System zuerst auf Grönland und in der Schweiz, fernab aller Ozeane, an einem der dort seltenen Erdbeben getestet haben, sieht Spica vom Caltec die Glasfasernetze eher in der Tsunami-Frühwarnung: „Anders als Erdbeben, die mitunter überraschend und sehr schnell auftreten können, brauchen Tsunamis in der Regel eine gewisse Zeit nach dem unterseeischen Beben, um ihre Monsterwellen aufzubauen und die Küsten zu erreichen,“ sagt Spica. „Weil die Daten in den Glasfaserkabeln mit Lichtgeschwindigkeit viel schneller als die Welle sind, lässt sich diese Zeit oft nutzen, um die Bewohner zu warnen.“
Lkw und Schiffe erfassen
Tsunamis und Erdbeben sind aber nicht der einzige Nebennutzen des globalen Glasfasernetzes: „Prinzipiell können die Datennetze alles registrieren, was kleinste Deformationen der Glasfasern verursacht“, sagt ETH-Geophysiker Fichtner. Eine denkbare Anwendung seien Lawinen- oder Erdrutsch-Warnsysteme in den Alpen, wo die Kabel passenderweise oft entlang der Passstraßen verlegt sind. Auch Anbieter von Verkehrsleit- oder Navigationssystemen zeigen Interesse an der Technologie: Die Kabel in der Nähe von Straßen und Autobahnen registrieren auch Verkehrsdaten wie Schwertransporte oder die Verkehrsdichte. Auch zur Überwachung von Pipelines würden sie bereits eingesetzt, sagt Fichtner. „Man verlegt beim Pipelinebau einfach eine Glasfaserleitung mit.“
Und schließlich dürfte mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit auch das Militär schon auf den Sensorenschatz in der Tiefe aufmerksam geworden sein. „Wenn wir Schiffe und U-Boote registrieren und orten können, wird das das Militär auch können“, so Fichtner. Auch, wenn er da keine direkten Kontakte oder präziseren Erkenntnisse habe: „Alles andere wäre schon sehr verwunderlich."
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