Tübinger Forscher können mithilfe eines Höchstleistungsrechners wirklichkeitsgetreu strömendes Wasser unter unseren Füßen simulieren – viele Hundert Meter tief.
Text: Karin Hollricher
Fels und Gestein – das scheint Materie gewordene Härte und Undurchdringlichkeit zu sein. Löcher haben da eigentlich keinen Platz. Und doch sind Felsen und Steine durchlässig wie Siebe. Durch ihre Risse, Fugen und Sprünge fließt unterirdisch tatsächlich Wasser, einige Meter pro Monat kommt das flüssige Nass im Stein voran. Wohin es fließt, kann man natürlich nicht sehen.
Manchmal aber möchte man zu gerne wissen, welche Wege es nimmt – etwa wenn der Verdacht besteht, dass es unter Tankstellen, Gaswerken oder Mülldeponien versickerte Schadstoffe transportiert. Mit der Wissenschaft vom unterirdischen Wasser, der GeoHydrologie, setzt sich Olaf Kolditz auseinander. Der studierte Physiker ist Professor für GeoHydrologie und HydroInformatik am Zentrum für Angewandte Geowissenschaften der Universität Tübingen. Er und seine Mitarbeiter haben den alten Bergmannsspruch „Vor der Hacke ist es duster” widerlegt: Mithilfe spezieller Computerprogramme können sie das unsichtbare Wasser sichtbar machen und seine Strömung simulieren.
Schon seit etwa 30 Jahren arbeiten Geowissenschaftler daran, Informationen wie Vegetation, Niederschlag, Bebau- ung, Bodentypen, landwirtschaftliche Nutzung und Schadstoffbelastung (zum Beispiel mit Nitrat aus der Düngung) für bestimmte Gebiete miteinander zu verknüpfen und daraus Modelle zu entwickeln. „ Diese so genannten Geographischen Informationssysteme – kurz GIS – haben allerdings einen Makel”, erläutert Kolditz: Sie enthalten meistens nur statische Informationen, zeigen also den „ eingefrorenen” Stand der Dinge.
„Um aber Wasser- und Stoffströme darzustellen und vorherzusagen, wie sie sich verhalten werden”, so Kolditz weiter, „braucht man Prozessmodelle wie beispielsweise das in Tübingen und Hannover entwickelte Programmsystem GeoSys/RockFlow. Diese wissenschaftliche Software ermöglicht die Simulation und Kombination vieler verschiedener Prozesse wie Strömungen, Stoff- und Wärmetransport, chemische und biogeochemische Reaktionen.”
Am Beginn der Simulation steht die Datenerhebung. Oberflächenprofile, von Satelliten erfasst, gehen in die Berechnung ebenso ein wie Daten, die man aus Bohrungen gewonnen hat. Dazu gehören Informationen über den Verlauf der Bodenschichten, über Druck- und Temperaturverhältnisse und über die mikrobiologische und chemische Beschaffenheit des Untergrunds. Aus solchen Daten erstellen die Tübinger Forscher zunächst ein so genanntes hydrogeologisches Strukturmodell.
„Dieses Modell machen wir dann fit für die Prozess-Simulation” , sagt Kolditz. Dazu legen die Wissenschaftler Rechengitter über das Simulationsgebiet. Rechengitter bestehen typischerweise aus Linien-, Dreiecks-, Vierecks-, Tetraeder-, Prismen- und/oder Würfelelementen. Auf diese Weise werden die Flächen in Millionen von geometrischen Figuren zerlegt – wodurch Millionen von Punkten generiert werden, mit denen der Computer rechnen kann.
Eine Computersimulation von Prozessen entsteht in der Regel durch das Lösen von Differenzial- und/oder Integralgleichungen. Auf Basis der Rechengitter kommen Näherungslösungen zustande – je feiner das Rechengitter, desto genauer die Lösung. Hierin steckt ein gigantisches Problem – es heißt Datenflut. Will man beispielsweise einen Geländewürfel von einem Kubikkilometer dreidimensional beschreiben und auf jeden Meter einen Rechenpunkt setzen, rechnet man mit einer Milliarde Punkten.
„Gewöhnliche” Computer können solche gewaltigen Datenmengen nicht einmal ansatzweise verdauen. Auf einem guten Personal Computer mit vier Gigabyte RAM lassen sich etwa eine Million Gitterpunkte rechnen, Cluster-PCs mit 32 bis 64 Prozessoren schaffen etwa zehnmal mehr, Höchstleistungsrechner wie der an der Universität Stuttgart bestenfalls 100 Millionen Punkte. Neben dem Speicherbedarf ist aber auch die Rechengeschwindigkeit wichtig. Denn gerade bei zeitabhängigen Prozessen wie in diesem Fall müssen die Gleichungen für sehr viele Zeitschritte gelöst werden.
Aus diesen Gründen müssen sich die Wissenschaftler bei einer Simulation erstens mit geringeren Auflösungen begnügen und zweitens zur Verkürzung der Rechenzeit schnelle Höchstleistungsrechner mit parallel arbeitenden Prozessoren einsetzen. Daran musste die Software von GeoSys/RockFlow angepasst werden. Die Landesstiftung Baden-Württemberg unterstützte das im Rahmen ihres Programms „Modellierung und Simulation auf Hochleistungsrechnern”.
„Bei der Anpassung müssen vor allem zwei Dinge beachtet werden” , erklärt Kolditz das informationstechnische Problem. „Die Arbeit muss optimal auf die verfügbaren Prozessoren aufgeteilt werden – man spricht hier von Lastbilanzierung. Und die Prozessoren müssen optimal synchronisiert werden, damit sie nicht aufeinander warten müssen.”
Die Parallelisierung greift im Wesentlichen in zwei Programmteile ein:
• Erstens in die so genannte Assemblierung. Hier werden die einzelnen Elementanteile des Rechennetzes ermittelt. Dieser Teil lässt sich ideal parallelisieren, da die einzelnen Rechenoperationen unabhängig voneinander sind.
• Der zweite und schwierigere Teil ist der Gleichungslöser. Dieser Part ist deshalb schwieriger zu parallelisieren, weil die zerlegten Teil-Gleichungssysteme über gemeinsame Randknoten miteinander verbunden sind und voneinander abhängen. Beide Schritte sind für GeoSys/RockFlow realisiert worden. Das Programm wurde bereits mit Anwendungen getestet – beispielsweise an dem „ künstlichen” Grundwasser, das unter dem Städtchen Bad Urach fließt. Es liegt an einer Stelle am Fuß der Schwäbischen Alb, wo vor langer Zeit Magma aufgestiegen ist und das Gestein erwärmt hat. Die Wärme in diesem so genannten Plutonit könnte man mit Hilfe von Wasser an die Oberfläche transportieren, um daraus Strom zu gewinnen. Da die Steine allerdings fast kein Wasser führen, muss man kaltes Wasser an einer geeigneten Stelle ins Gestein pressen und es – nachdem es sich im Plutonit erwärmt hat – in einem zweiten Bohrloch wieder nach oben pumpen. Das Verfahren heißt „Hot Dry Rock-Geothermie”.
„Die Betreiber eines potenziellen Geothermie-Kraftwerks wollen wissen, wie das Gestein heiß genug bleibt, dass man wenigstens 20 Jahre lang warmes Wasser für die Stromerzeugung gewinnen kann”, sagt Kolditz. Um Daten über die Beschaffenheit des Untergrundes, die Erwärmung des Wassers beziehungsweise die Abkühlung des Gesteins zu erheben, unternahmen die Stadtwerke Bad Urach Pump- und Simulationsversuche in zwei zirka 500 Meter voneinander entfernten und fast 4500 Meter tiefen Bohrlöchern. Mit diesen Daten haben Tübinger, Göttinger und Bad Uracher Forscher zwei Jahre lang gearbeitet – und belegt, dass sich der Betrieb eines Geothermie-Kraftwerks höchstwahrscheinlich rechnen würde.
Hundertprozentige Sicherheit gibt es freilich nie. Denn trotz aller modernen Erkundungs- und Simulationstechniken kämpfen die Forscher mit einem profanen Problem: Für die Simulation sind sie auf die Daten aus einzelnen Bohrlöchern angewiesen. „Wir arbeiten quasi mit Nadelstichen und erhalten deshalb nur punktuelle Informationen”, sagt Kolditz. „Auch die besten Modelle produzieren letztlich nur Wahrscheinlichkeiten – und je weniger Daten wir haben, desto ungenauer sind natürlich die Vorhersagen, die wir treffen.”
Bei Brand, einem Ort südlich von Berlin, konnten die Forscher indes auf viele Daten aus zahlreichen Sondierungen und Bohrungen zurückgreifen. Auf dem ehemaligen sowjetischen Militärflughafen, der schon im Ersten Weltkrieg in Betrieb genommen und nach dem Abzug der russischen Armee still gelegt wurde, ist jahrzehntelang Kerosin in den Untergrund gesickert. In einem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und der Brandenburgischen Boden Gesellschaft finanzierten Projekt untersuchte die Arbeitsgruppe, welche und wie viele Schadstoffe aus dem Kerosin ins Grundwasser gelangen und welchen Einflüssen sie während des Wassertransports unterliegen.
Zur Erhebung der geologischen Profile und zur Messung der Schadstoffkonzentrationen brauchten in diesem Fall die Bohrlöcher nicht so tief wie in Bad Urach zu sein. „Wir mussten nur etwa 30 Meter tief bohren und sondieren, das ist natürlich nicht so teuer” , sagt Kolditz. „So bekamen wir viele Daten, aus denen wir zusammen mit dem Tübinger Grundwasser Forschungsinstitut ein sehr genaues geometrisches und hydrogeologisches Strukturmodell erstellen und sehr genau vorhersagen konnten, wann das Wasser sich wie schnell und in welche Richtung bewegt und was mit den Schadstoffen passiert.”
Im Fall Brand hilft die Natur: Mikrobiologen gelang anhand von Labor- und Feldexperimenten der Nachweis, dass Schadstoffe aus dem Kerosin in Grundwasser und Boden von Bakterien abgebaut werden. Aufgrund dieses natürlichen mikrobiellen Abbaus und weiterer natürlicher Rückhalteprozesse wandern die Schadstoffe aus Mineralöl-Kontaminationen in der Regel nicht weiter als 100 bis 200 Meter vom Ort des Eintrags.
„Unter bestimmten Bedingungen kommen die Schadstoff-Fahnen zum Stillstand. Um dies simulieren zu können, war es wichtig, auch mikrobielle Prozesse in das Programmsystem zu integrieren”, erläutert Kolditz. Solange in der Nähe der Kontamination kein Grundwasser abgepumpt wird – was die unterirdischen Strömungsverhältnisse ändern würde –, besteht keine Gefahr, dass die Schadstoffe sich weiter ausbreiten. Mit der gleichen Methode und der gleichen Software modellieren die Tübinger jetzt die Grundwasserströme unter einem ehemaligen Gaswerk in Stuttgart: Dort sind organische Chlorverbindungen ins Erdreich gelangt.
Die vorgestellten Projekte in Bad Urach und in Brand zeigen deutlich, wie wichtig es ist, dass am Zentrum für Angewandte Geowissenschaften in Tübingen Ingenieure, Chemiker, Biologen, Geologen, Mathematiker und Informatiker Hand in Hand arbeiten. Ohne die Informationen der Mikrobiologen hätten die Informatiker quasi ins Leere gerechnet: Sie hätten nicht richtig vorhersagen können, was mit den Hinterlassenschaften aus Mineralölen und Flugbenzin im Untergrund passiert. ■
