MIT-Ingenieure entwerfen künstliches Riff zum Schutz von Küsten und Meeresarten

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Die meisten von uns verbringen nicht viel Zeit damit, über Riffe nachzudenken. Wenn wir überhaupt darüber nachdenken, dann deshalb, weil wir Bootsbesitzer sind, die Angst haben, versehentlich eines zu finden und den Rumpf zu beschädigen. Aber ein Riff erfüllt eine Reihe sehr wichtiger Funktionen. Zum einen bietet es jungen Meereslebewesen Schutz vor Raubtieren. Zum anderen trägt es dazu bei, die Kraft der Meereswellen zu absorbieren, damit diese die Küsten nicht zerstören.

Aber Riffe, die aus Milliarden winziger Organismen bestehen, sterben auf der ganzen Welt, weil die Wassertemperatur steigt und weil der Ozean saurer wird und die harten Kalkablagerungen, die diese winzigen Organismen absondern und deren Struktur bilden, aufgelöst werden das ein Riff.

Die ultimative Lösung besteht darin, mit den Dingen aufzuhören, die Menschen tun und die den Riffen schaden. Aber das würde bedeuten, unseren komfortablen Lebensstil zu unterbrechen, und das können wir doch nicht zulassen, oder? Da es ihnen nicht gelingt, das Richtige zu tun, haben die cleveren Ingenieure am MIT einen Weg gefunden, ein künstliches Riff zu erschaffen, das viele der gleichen Zwecke erfüllt wie das echte Riff.

Das Architected Reef

Das MIT nennt es ein „architektonisches“ Riff – eine nachhaltige Offshore-Struktur, die so konstruiert ist, dass sie die Wellenpufferungseffekte eines natürlichen Riffs nachahmt und gleichzeitig Schutzräume für Fische und andere Meereslebewesen bietet. Das Riffdesign basiert auf einer zylindrischen Struktur, die von vier ruderähnlichen Lamellen umgeben ist. Wenn diese Struktur auf eine ankommende Welle trifft, bricht sie diese in turbulente Strahlen auf, die letztlich den Großteil der Energie der Welle vernichten. Das Team hat berechnet, dass das neue Design genauso viel Wellenenergie reduzieren könnte wie ein bestehendes Riff und gleichzeitig zehnmal weniger Material verbraucht.

Die Forscher planen, jede zylindrische Struktur aus nachhaltigem Zement herzustellen (MIT ist auch führend bei der Herstellung von emissionsarmem oder emissionsfreiem Zement), den sie in einem Muster aus „Voxeln“ formen würden, die automatisch zusammengesetzt werden können, um den Fischen Taschen zum Erkunden zu bieten anderen Meereslebewesen die Möglichkeit, sich darin anzusiedeln. Die Zylinder können zu einer langen, halbdurchlässigen Wand verbunden werden. Die Ingenieure sagen, dass diese Mauern entlang einer Küste etwa eine halbe Meile vom Ufer entfernt installiert werden können. Basierend auf ersten Experimenten mit Prototypen im Labormaßstab könnte das geplante Riff die Energie einfallender Wellen um mehr als 95 % reduzieren.

„Das wäre wie ein Langwellenbrecher“, sagt Michael Triantafyllou, Professor für Meereswissenschaften und -technik am Fachbereich Maschinenbau. „Wenn die Wellen 6 Meter (20 Fuß) hoch auf diese Riffstruktur zukommen, wären sie auf der anderen Seite letztlich weniger als einen Meter (3,3 Fuß) hoch. Dadurch wird der Einfluss der Wellen abgeschwächt, was Erosion und Überschwemmungen verhindern könnte.“

Details zum architektonischen Riffdesign werden heute in der Zeitschrift veröffentlicht PNAS-Nexus. In der Einleitung schreiben die Autoren: „Neueste Studien zeigen, dass sich Wellenstürme infolge der Klimaerwärmung verstärkt haben.“ Beispielsweise wüteten im Jahr 2023 schwere Stürme in Kalifornien, beschädigten die Infrastruktur und zwangen die Menschen zur Flucht von der Küste, da die Intensität der Stürme seit den 1970er Jahren deutlich zugenommen hat. Anhand von Daten aus fast einem Jahrhundert wurde festgestellt, dass das Auftreten extrem bedeutsamer Wellenhöhenereignisse im Zeitraum 1996–2016 etwa doppelt so hoch ist wie zwischen 1949 und 1969. In Kombination mit dem Anstieg des Meeresspiegels wird erwartet, dass dies bis zum Ende des Jahres 2016 der Fall sein wird Im laufenden Jahrhundert werden selbst moderate Wellenstürme Auswirkungen auf die Küste haben, die mit den jüngsten extremen Winterwellenereignissen vergleichbar sind.“

Einige Regionen haben bereits künstliche Riffe errichtet, um ihre Küsten vor herannahenden Stürmen zu schützen. Bei diesen Strukturen handelt es sich typischerweise um versunkene Schiffe, stillgelegte Öl- und Gasplattformen und sogar um zusammengesetzte Konfigurationen aus Beton, Metall, Reifen und Steinen. Aufgrund der Variabilität der Arten künstlicher Riffe gibt es jedoch keine Standards für die Konstruktion solcher Strukturen. Darüber hinaus weisen die heute eingesetzten Konstruktionen in der Regel eine geringe Wellendissipation pro Volumeneinheit des verwendeten Materials auf. Mit anderen Worten: Es ist eine enorme Menge an Material erforderlich, um genügend Wellenenergie zu absorbieren und Küstengemeinden angemessen zu schützen.

Wellenenergie zerstreuen

Das MIT-Team konzentrierte sich auf Möglichkeiten, ein künstliches Riff zu konstruieren, das Wellenenergie mit weniger Material effizient ableiten und gleichzeitig Fischen, die an gefährdeten Küsten leben, Zuflucht bieten würde. „Denken Sie daran, dass natürliche Korallenriffe nur in tropischen Gewässern zu finden sind“, sagt Triantafyllou, Direktor des MIT Sea Grant. „Architektierte Riffe sind jedoch nicht von der Temperatur abhängig, sodass sie in jedem Gewässer platziert werden können, um mehr Küstengebiete zu schützen.“

Das neu gestaltete Riff ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen Forschern des MIT Sea Grant, die das hydrodynamische Design der Riffstruktur entwickelten, und Forschern des Center for Bits and Atoms (CBA), die daran arbeiteten, die Struktur modular und einfach herzustellen Standort. Der Entwurf entstand aus zwei scheinbar unabhängigen Problemen. CBA-Forscher entwickelten ultraleichte Zellstrukturen für die Luft- und Raumfahrtindustrie, während Sea Grant-Forscher die Leistung von Blowout-Preventern bewerteten – zylindrische Ventile, die zum Abdichten von Öl- und Gasquellen verwendet werden, um zu verhindern, dass diese in Offshore-Anlagen auslaufen.

Die von den beiden Teams durchgeführten Tests zeigten, dass die zylindrische Anordnung der Struktur einen hohen Widerstand erzeugte, was sie besonders effizient bei der Ableitung von Öl- und Gasströmen mit hoher Kraft macht. Das veranlasste sie zu der Überlegung, ob die gleiche Anordnung die Energie der Meereswellen zerstreuen könnte.

Die Forscher begannen, mit der allgemeinen Struktur simulierter Wasserströme zu experimentieren, optimierten deren Abmessungen und fügten bestimmte Elemente hinzu, um zu sehen, wie Wellen als Reaktion darauf ihr Verhalten veränderten. Dieser iterative Prozess führte zu einer optimierten Geometrie, die aus einem vertikalen Zylinder bestand, der von vier langen Lamellen flankiert wurde, die jeweils so am Zylinder befestigt waren, dass Platz für den Wasserfluss durch die resultierende Struktur blieb. Sie fanden heraus, dass dieser Aufbau im Wesentlichen jegliche einfallende Wellenenergie aufbricht, was dazu führt, dass Teile der welleninduzierten Strömung spiralförmig zur Seite verlaufen, anstatt nach vorne zu krachen. „Wir nutzen diese Turbulenzen und diese leistungsstarken Jets, um letztendlich die Wellenenergie abzuleiten“, sagte Ferrandis.

Nachdem die Forscher eine optimale Wellenableitungsstruktur identifiziert hatten, stellten sie eine Laborversion eines architektonischen Riffs her, das aus einer Reihe zylindrischer Strukturen bestand, die im 3D-Druck aus Kunststoff hergestellt wurden. Jeder Testzylinder war etwa 1 Fuß breit und 4 Fuß hoch. Sie setzten eine Reihe von Zylindern zusammen, die jeweils etwa einen Fuß voneinander entfernt waren, um eine zaunartige Struktur zu bilden, die sie dann in einen Wellentank am MIT senkten. Anschließend erzeugten sie Wellen unterschiedlicher Höhe und maßen diese vor und nach dem Durchqueren des architektonisch gestalteten Riffs. „Wir sahen, wie die Wellen erheblich zurückgingen, da das Riff ihre Energie zerstörte“, sagt Triantafyllou.

Das Team hat auch darüber nachgedacht, die Strukturen poröser und fischfreundlicher zu machen. Sie fanden heraus, dass sie, anstatt jede Struktur aus einer massiven Kunststoffplatte herzustellen, einen günstigeren und nachhaltigeren Zementtyp verwenden könnten. „Wir haben mit Biologen zusammengearbeitet, um den Zement zu testen, den wir verwenden wollen, und er ist fischverträglich und gebrauchsfertig“, fügte er hinzu.

Anschließend identifizierten sie ein ideales Muster aus „Voxeln“ oder Mikrostrukturen, um die Riffe herzustellen und gleichzeitig Taschen zu schaffen, in denen Fische leben könnten. Diese Voxelgeometrie ähnelt einzelnen, aneinander gestapelten Eierkartons. „Diese Voxel üben immer noch einen großen Widerstand aus, während sie den Fischen ermöglichen, sich im Inneren zu bewegen“, sagte Ferrandis.

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Die Forschung an künstlichen Riffen geht weiter

Jetzt fertigen die Forscher Voxelstrukturen aus Zement und bauen sie zu einem im Labormaßstab gestalteten Riff zusammen, das sie unter verschiedenen Wellenbedingungen testen werden. Sie gehen davon aus, dass das Voxel-Design modular und auf jede gewünschte Größe skalierbar sein wird. Außerdem sollte es leicht zu transportieren und an verschiedenen Offshore-Standorten zu installieren sein. „Jetzt simulieren wir tatsächliche Meeresmuster und testen, wie diese Modelle funktionieren, wenn wir sie schließlich einsetzen müssen“, sagte Anjali Sinha, eine Doktorandin am MIT, die sich der Gruppe kürzlich angeschlossen hat.

Das Team hofft, künftig mit Strandstädten in Massachusetts zusammenarbeiten zu können, um die Strukturen im Pilotmaßstab zu testen. „Diese Teststrukturen werden nicht klein sein“, betonte Triantafyllou. „Sie werden ungefähr eine Meile lang und ungefähr 5 Meter (17 Fuß) hoch sein und ungefähr 6 Millionen Dollar pro Meile kosten. Es ist also nicht billig. Aber es könnte Sturmschäden in Milliardenhöhe verhindern. Und mit dem Klimawandel wird der Schutz der Küsten ein großes Thema werden.“

Tatsächlich sind 6 Millionen US-Dollar pro Meile lächerlich günstig im Vergleich zu den Kosten herkömmlicher Küstensanierungstechniken, bei denen es normalerweise darum geht, Sand entlang der Küsten zu verteilen, um die Kräfte zu absorbieren, die durch Meeresstürme entstehen, wenn sie auftreten. Das künstliche Riff ist nicht nur kostengünstiger, es ist auch eine dauerhaftere Lösung als Strandauffüllung und Sandsanierung. Dies ist wirklich eine bemerkenswerte technische Lösung für ein Problem, das sich verschärfen wird, da die globale Überhitzung zu häufigeren und stärkeren Meeresstürmen führt.