Magma brodelt in den Tiefen der Erde, wo Hitze und Druck das Gestein zum Schmelzen bringen. Unter dem Krafla-Vulkanfeld im Nordosten Islands kommt es den Menschen überraschend nah: Inmitten dieser spektakulären Landschaft stießen Ingenieure bei Geothermie-Bohrungen im Jahr 2009 in nur 2,1 Kilometern Tiefe eher zufällig auf eine rund 900 °C heiße Magmakammer. Insgesamt drei Mal setzten die Ingenieure an – und jedes Mal traf der Bohrer auf das glühende Reservoir.
Die ungewöhnliche Nähe des Magmas zur Erdoberfläche wollen Forschende um den LMU-Vulkanologen Yan Lavallée nun nutzen. Mit dem Projekt „Krafla-Magma-Testbed (KMT)“ soll das weltweit erste Magma-Observatorium entstehen, um in das glühende Innere der Erde zu blicken.
Wie verhält sich Magma in der Tiefe, was passiert in der Übergangszone zum festen Gestein und gibt es Anzeichen, mit denen drohende Vulkanausbrüche besser vorhergesagt werden können? Dies sind nur einige der grundlegenden Fragen, die mit einer neuen geowissenschaftlichen Großforschungsanlage beantwortet werden sollen, heißt es in einer Mitteilung der LMU. Das Team will auch untersuchen, ob und unter welchen Bedingungen sich die heiße Gesteinsschmelze für Geothermie nutzen lässt.
Im Lauf der ersten Bohrung wollen die Forschenden in regelmäßigen Abständen Proben entnehmen sowie Glasfaserkabel und Sensoren installieren, um Druck, Temperatur, Verformungen und seismische Aktivitäten im Gestein bis hinein in die glühende Schmelze zu erfassen. In unmittelbarer Nachbarschaft der ersten Bohrung soll in einer zweiten Phase ein weiteres Bohrloch als Portal für Experimente in die Tiefe getrieben werden. Über dieses Bohrloch könnten die Forschenden beispielsweise Wasser hinab- oder hochpumpen und die Folgen beobachten.
Wegen der großen vulkanischen Aktivität sind die Bedingungen für Geothermie in Island besonders günstig: Das Land erzeugt rund ein Viertel seines Stroms und etwa 90 Prozent der Wärme durch Geothermie, über Bohrungen, die im landesweiten Durchschnitt eine Leistung von 5 Megawatt liefern. Auch unter dem Krafla-Vulkanfeld zirkuliert heißes Wasser, das von einem Geothermie-Kraftwerk genutzt wird, dessen Leistung bis zu 60 Megawatt beträgt. Dafür existieren zahlreiche Bohrlöcher, aus denen Dampf zur Stromerzeugung gefördert wird. Die Energie, mit der der Dampf nach oben schießt, variiert von Bohrloch zu Bohrloch und hängt im Wesentlichen von der Tiefe des Loches ab.
Die Wärmequelle, die die hydrothermalen Systeme antreibt, ist Magma. „Warum also nicht direkt zur Quelle gehen?“, fragt Lavallée. Konventionelle tiefe Geothermie nutzt heißes Wasser mit Temperaturen zwischen 80 und 200 Grad Celsius. Bohrt man in die Nähe von Magma, werden Temperaturen von über 900 Grad Celsius und ein Druck von mehr als 220 bar erreicht. Unter diesen Bedingungen wird Wasser superkritisch – ein Zustand, in dem die Grenze zwischen flüssig und gasförmig verschwimmt – und schießt als heißes Hochdruck-Fluid nach oben. Die Nutzung dieses Mediums könnte die Energieerzeugung um das Zehnfache steigern.
Aber die Idee der Forschenden für die Geothermie der Zukunft ist noch radikaler: Sie wollen erkunden, ob und (falls ja) wie Magma in der Tiefe direkt angezapft werden könnte – ohne den herkömmlichen Umweg über geothermische Fluide. Eine Idee für die Umsetzung könnte sein, die vulkanischen Gase als Wärmeträger zu nutzen oder ein Kreislaufsystem zu etablieren, so Lavallée. „Aber vielleicht braucht es auch ganz andere, neue Lösungen.“
In einen aktiven Vulkan zu bohren ist aber nicht nur wissenschaftliches Neuland, sondern auch eine große technische Herausforderung. Seit dem Projektstart 2017 arbeiten die Forschenden an geeigneten Materialien und Methoden, der Beginn der Bohrungen ist frühestens für das Jahr 2027 angesetzt. Vorher müssen etwa Messinstrumente entwickelt werden, die den extremen Bedingungen im Inneren eines aktiven Vulkans standhalten. Zu den hohen Temperaturen und Drücken kommt noch dazu, dass der Wasserdampf in dieser Umgebung viele aggressive Verbindungen enthält. Dazu gehören Schwefel-, Chlor- und Fluorverbindungen, aus denen sich korrosive Säuren bilden, die Stahlgestänge, Leitungen und den Zement zur Auskleidung des Bohrlochs angreifen.
LMU