In vielen Regionen wird teure Infrastruktur auf Permafrostböden gebaut. Um diese vor Schäden durch den auftauenden Untergrund zu schützen, werden intelligente Lösungen eingesetzt.

Über vier Milliarden Euro – so viel hat die Qinghai-Tibet-Bahnstrecke in China umgerechnet gekostet. Auf der knapp 2.000 Kilometer langen Strecke durch das tibetische Hochland überquert sie den höchsten Punkt einer Bahnstrecke weltweit, zu einem Viertel ist sie auf Permafrostboden gebaut.

Für die Ingenieure, die Infrastrukturprojekte in großer Höhe oder in nördlichen Breitengraden bauen, gehört der Umgang mit den empfindsamen Dauerfrostböden schon seit längerem zur Arbeit dazu. Denn wenn Permafrost taut, wird der Boden instabil und gibt nach. Da dies meist unterschiedlich stark und schnell passiert, können Gebäude, Straßen und Gleise darauf auseinanderbrechen oder starke Höhenunterschiede ausbilden.

Vegetation schützt den Boden vor Wärmeeinstrahlung

Ohne Bebauung schützt die Vegetation den Untergrund vor übermäßiger Wärmeeinstrahlung. Gras, Moos und Bäume reflektieren das Sonnenlicht und spenden dem Boden Schatten. Wind jagt über die Tundra. Außerdem führt die Verdunstung von Wasser zu einer natürlichen Kühlung, so wie auch Schweiß auf der Haut kühlt.

Werden Infrastrukturen wie Straßen, Bahnschienen und Häuser mit herkömmlichen Methoden auf Permafrost gebaut, wird diese natürliche Kühlung beeinträchtigt. Der dunkle Teer der Straßen absorbiert mehr Sonneneinstrahlung als reflektierende Pflanzen. Züge erwärmen den Boden durch ihre Motoren und die Versiegelung des Bodens verhindert die Kühlung durch Wind und Wasser. Forschungen zeigen, dass eine umso dickere Auftauschicht vorhanden ist, je weniger Vegetation an der Oberfläche vorkommt.

Grafik: Je weniger Vegetation an der Oberfläche vorhanden ist, desto stärker taut Permafrostboden auf.

Je weniger Vegetation an der Oberfläche vorhanden ist, desto stärker taut Permafrostboden auf.

Um das Auftauen zu vermeiden und die teure Infrastruktur vor dem Absacken zu bewahren, entwickeln Ingenieure Lösungen, um den Untergrund vor zusätzlicher Wärmeeinstrahlung zu schützen.

Prof. Dr. Fujuna Niu

Prof. Dr. Fujuna Niu

Einer von ihnen ist Fujun Niu, Professor der Bauingenieurwissenschaften an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. „Wir müssen die Struktur der Bahntrassen verändern“, sagt er als Teil seiner Lösungsstrategie. Die üblicherweise stark verdichteten Gleisanlagen werden in Permafrostgebieten mit groben Steinen untersetzt, durch die kühlender Wind ziehen kann. In den gefährdetsten Gebieten verlaufen die Schienen auf tief in den Boden gerammten Pfeilern, um noch mehr Abstand zum Boden zu gewinnen. „Seit zehn Jahren nutzen wir diese Strukturen in China und Kanada“, so Niu und fügt an, dass damit  die Absenkung der Bodentemperatur gelingt.

Belüftung für den Boden

In Kanada gibt es ein Forschungsprojekt, das die Idee der natürlichen Belüftung noch ausweitet. Auf dem Alaska Highway bei der Stadt Beaver Creek  nahe der Grenze zu Alaska wird mit Lüftungsschächten experimentiert, die kalte Luft durch die erhöhte Straßenböschung führen, um so die Bodenwärme abzutransportieren. „Air convection embankment“, auf deutsch etwa luftdurchströmte Böschung, nennt sich diese Methode.

air convection embankment

Air convection embankment: Durch die Straßenböschung wird Luft geleitet, um die Wärme abzutransportieren.

Daneben werden noch weitere Ansätze wie reflektierende Abdeckungen auf der Böschung getestet. Noch gibt es Schwierigkeiten mit der Logistik beim Bau solcher Systeme und die Untersuchungen der Wirksamkeit laufen weiter. So ist eine Kühlung der Böschung eindeutig zu verzeichnen, die Dicke der Auftauschicht hat sich aber noch nicht geändert.

Im Bereich der passiven Kühlsysteme muss noch viel geforscht werden. Es verspricht aber eine Lösung für zumindest ein Teilproblem auftauender Permafrostböden zu werden.

Hinweis: Dieser Artikel wurde zuerst auf thechickentheory.de im Rahmen eines Hochschulprojekts in Kooperation mit dem Alfred-Wegener-Institut veröffentlicht.