Faser

Glasfaserkabel bilden das riesige unterirdische Nervensystem, das unseren wachsenden Bedarf an Hochgeschwindigkeits-Internet- und Kommunikationsdiensten deckt. Allerdings können die Signale in den Kabeln gelegentlich Vibrationen ausgesetzt sein, die durch darüber fahrende Autos, nahegelegene Bauarbeiten oder sogar Erdbeben verursacht werden. Forscher haben zuvor vorgeschlagen, diese Störungen zu nutzen, um die Tausenden Kilometer Erdkabel in empfindliche seismische Arrays umzuwandeln.

In einer neuen Studie zeigen Forscher des California Institute of Technology, dass Glasfaserkabel nicht nur Beben erkennen, sondern auch Nuancen und Komplexität der seismischen Ereignisse messen können. In einem Fall konnten die Forscher mithilfe einer 100 Kilometer langen Kabelstrecke den Zeitpunkt und den Ort von vier kleineren Minibeben bestimmen, die ein Erdbeben der Stärke 6 bildeten.

„Diese Arbeit dient nicht nur der Entdeckung, sie geht über die Entdeckung hinaus“, sagt Jiaxuan Li, Postdoktorand in Geophysik am Caltech und Mitautor der am 2. August in Nature veröffentlichten Arbeit. „Wir bilden die Details des Bruchvorgangs eines Erdbebens ab.“

„Wir könnten diese sehr dichten [Glasfaser-]Netzwerke in seismische Arrays umwandeln, die wir zur Frühwarnung nutzen können.“–Jiaxuan Li, Caltech

Durch die Nutzung weiterer Kabel und noch mehr Daten könnten Seismologen ein besseres Verständnis von Erdbeben erlangen. Und obwohl es unwahrscheinlich ist, dass eine Reihe von Glasfaserkabeln Erdbeben vorhersagen, bevor sie eintreten, könnten Forscher die Technik nutzen, um bessere Frühwarnsysteme zu entwickeln, die Leben retten, sagt Li.

Normalerweise kommt es in Kalifornien jedes Jahr zu zwei oder drei Erdbeben, die stark genug sind – also eine Stärke von 5,5. oder höher – um mäßige Schäden an Bauwerken zu verursachen. Im gesamten Bundesstaat gibt es über 700 Seismometer. Jeder einzelne kostet bis zu 50.000 US-Dollar und die Wartung des Detektornetzwerks ist teuer.

Für die Früherkennung ist es wichtig, einen Sensor so nah wie möglich an einer Erdbebenquelle zu haben. Mit teuren Seismometern sei das nicht möglich, sagt Li. Glasfaserkabel hingegen sind bereits überall kreuz und quer im Boden verlegt und bilden ein dichtes, kostengünstiges seismisches Sensornetzwerk. „Wir haben ein sehr ausgedehntes Glasfasernetz in Städten und zwischen Städten“, sagt er. „Wir könnten diese sehr dichten Netzwerke in seismische Arrays umwandeln, die wir zur Frühwarnung nutzen können.“

Li und Kollegen verwendeten eine Technik namens Distributed Acoustic Sensing (DAS), die zwar neu in der Welt der Seismologie ist, aber bereits zur Überwachung von Pipelines und Stromkabeln auf Defekte eingesetzt wird. Bei dieser Methode werden Laserlichtimpulse über optische Fasern gesendet und die Intensität der von Fehlern in der Faser reflektierten Signale gemessen. Eine leichte Dehnung oder Kontraktion der Faser (z. B. durch ein Erdbeben) kann die reflektierten Signale verändern.

Anhand der Rückkehrzeit des Impulses können Sie genau bestimmen, wann und wo entlang des Kabels die Störung aufgetreten ist. Da Licht von Tausenden von Fehlstellen entlang der Fasern reflektiert wird, kann eine kilometerlange Kabelstrecke als Tausende von Seismometern fungieren. Dies bedeutet deutlich mehr seismische Daten, was zu einer höheren Auflösung führt und die Lokalisierung kleinerer seismischer Aktivitäten ermöglicht.

Die Caltech-Forscher haben bereits vorhandene optische Kabel in ein DAS-Array umgewandelt. Telekommunikationsunternehmen verlegen in der Regel mehr Glasfasern, als sie benötigen, und das Forschungsteam erschließt einen Teil dieser „dunklen“ ungenutzten Glasfasern. Mit Genehmigung der California Broadband Cooperative installierte das Team einen DAS-Transceiver an einem Ende eines Glasfaserkabels entlang der Grenze zwischen Kalifornien und Nevada.

In ihrer Studie analysierten die Forscher Lichtsignale von zwei 50 Kilometer langen Abschnitten eines Glasfaserkabels, die das Erdbeben der Stärke 6 im Antelope Valley im Jahr 2021 aufzeichneten. Die Glasfaserkabelabschnitte befanden sich nördlich und südlich der Stadt Old Mammoth. Insgesamt lieferten die 100 km Kabel Daten, die denen von 10.000 Seismometern entsprachen.

Anhand der hochauflösenden Daten stellten die Forscher fest, dass das Beben aus einer Folge von vier kleineren Brüchen, sogenannten „Subevents“, bestand, die von einem herkömmlichen seismischen Netzwerk nicht erkannt werden konnten. Durch die Erstellung eines Computermodells des Erdbebens auf der Grundlage der Daten konnten die Forscher den genauen Zeitpunkt und Ort dieser Unterereignisse genau bestimmen.

Die in der Studie verwendete Faser sei 100 km vom Erdbebenzentrum entfernt, sagt Li. „Die Auflösung unseres Bildes kann erheblich erhöht werden, indem wir Fasern in andere Richtungen haben, auch auf der Ost- und Westseite des Erdbebens.“

Die Verarbeitung und Speicherung der großen Datenmengen, die von einem dichten seismischen Glasfaser-Array erzeugt werden, wäre eine große technische Herausforderung, sagt er. Die „allererste und schwierigste“ Herausforderung bestünde jedoch darin, Zugang zu Glasfasern zu erhalten, um ein ausgedehntes DAS-Array zu schaffen, wofür sie mit Telekommunikationsunternehmen verhandeln müssten. „Es ist kein einfacher Prozess, aber ich hoffe, dass Telekommunikationsunternehmen auf der Grundlage dieser Arbeit die Vorteile der Zusammenarbeit erkennen können.“