Hydrologie: Neue Uhr für altes Wasser
Bevor Sven Ebser sein Experiment erklärt, holt er erst einmal eine Taschenlampe. Im Labor am Kirchhoff-Institut für Physik (KIP) der Universität Heidelberg ist jedes Fenster verdunkelt. Aus Sicherheitsgründen, denn Laserlicht sollte nicht nach draußen dringen. Im Lampenschein wird eine gut drei Meter lange Vakuumkammer sichtbar, dazwischen viele Spiegel, Spulen und Laser. Das Experiment heißt Atomic Trap Trace Analysis, kurz ATTA. Es ist eine junge Technik, die vor gerade 15 Jahren an einem Labor bei Chicago erdacht wurde. Seit drei Jahren gibt es sogar eine wissenschaftliche ATTA-Konferenz. Vor allem Umweltwissenschaftler würden die Technik gerne für Proben aus aller Welt einsetzen. Denn mit ATTA könnten die Physiker uralte Wasserproben zuverlässig datieren.
Auf seinem Labortisch zählt Sven Ebser Argonatome. Das griechische Wort "argos" bedeutet untätig. Denn als Edelgas geht Argon keine Reaktionen ein und bleibt gerne für sich. Zu gut einem Prozent ist es Teil der Atmosphäre, überwiegend als stabiles Element. Gerade ein Billiardstel davon ist für die Forscher interessant, denn dieses Argon-39 ist radioaktiv – Folgen eines kosmischen Bombardements, das ständig die Atome der Luft beschießt: Der winzige Anteil Argon-39 ist ein Produkt dieses Bombardements. Fällt Niederschlag, löst sich das Argon im Wasser, versickert im Boden, und eine natürliche Uhr beginnt zu ticken. Argon-39 zerfällt über die Jahrhunderte; nach 269 Jahren ist nur noch die Hälfte übrig. Wird Grundwasser aus einem Brunnen gepumpt, lässt sich am Restgehalt an Argon-39 prinzipiell sein Alter ablesen.
Jahrhundertealtes Grundwasser
Es gebe bislang eine klaffende Lücke in den Datierungsmethoden, sagt Werner Aeschbach-Hertig vom Institut für Umweltphysik der Universität Heidelberg. Bei bis zu 60 Jahre alten Wasserproben helfen schon länger Isotope, die etwa Kernkraftwerke in winzigen Mengen in die Umwelt abgeben oder die aus den Atombombentests stammen – und die ins Grundwasser gelangen. Bei einem Alter von mehreren Jahrtausenden ist die bekannte Radiokarbonmethode Mittel der Wahl, kurz C-14. In Wasser gelöster Kohlenstoff erlaubt, es mit C-14 zuverlässig zu datieren. Das Alter zwischen 60 und 1000 Jahren ließ sich dagegen bisher nur mit großem Aufwand bestimmen.
Es gebe allerdings viele Prozesse, die ausgerechnet im Bereich einiger Jahrhunderte in der Umwelt ablaufen würden, sagt Roland Purtschert vom Untergrundlabor am Institut für Klima- und Umweltphysik an der Universität Bern. Dazu gehört langsam fließendes Grundwasser – oder die Zirkulation des Meerwassers, das in Jahrhunderten die Ozeane durchströmt. Purtscherts Labor in Bern war bisher weltweit das einzige, in dem Forscher überhaupt den Gehalt von Argon-39 in Wasserproben bestimmen konnten. Nur ist der Aufwand dafür so groß, dass Wissenschaftler die Methode selten einsetzen. Abgeschirmt von allen denkbaren Strahlungsquellen, 35 Meter unter Bern und zusätzlich umgeben vom kaum strahlenden Blei alter Schiffswracks bestimmte Roland Purtschert bislang den spärlichen radioaktiven Zerfall von Argon-39. In einer alten Probe zerfalle durchschnittlich einmal pro Stunde ein einzelnes Atom. Er müsse für mehrere Wochen messen, um zuverlässige Ergebnisse zu erhalten, sagt Purtschert. Dazu müsse jede einzelne Wasserprobe gut 1,5 Tonnen groß sein, was den Aufwand weiter erhöhe.
Einzelne Atome zählen
ATTA funktioniere dagegen ganz anders, erläutert Florian Ritterbusch. Er hat als vormaliger Doktorand die Methode jetzt ein gutes Stück vorangebracht. In seiner Doktorarbeit zeigte er erstmalig, dass sich Argon-39 aus dem Grundwasser mit der Methode prinzipiell zählen lässt – allerdings noch mit vergleichsweise großen Probenmengen. Jetzt versucht das Team, es auch mit kleineren Proben wie zwei Litern Wasser oder einem Kilogramm Gletschereis zu schaffen. Das müssten die Physiker aber noch experimentell bestätigen, sagt Ritterbusch.
Eigentlich ist ATTA ein Abfallprodukt der Quantenoptik: Er sei Grundlagenforscher, sagt Markus Oberthaler, der Gruppenleiter am Heidelberger ATTA-Experiment. In den Laboren nebenan werden an den optischen Tischen die Gesetze der Quantenmechanik untersucht. Anwendungen wie der Quantencomputer liegen weit in der Zukunft. ATTA sei wohl eine der ersten technischen Anwendungen seines Fachs, sagt Oberthaler.
Erst die enge Zusammenarbeit zwischen Atomphysikern und Umweltphysikern in Heidelberg ermöglicht die hiesigen Fortschritte: Aeschbach-Hertigs Studenten sammeln zunächst an verschiedenen Stellen des Oberrheingrabens Grundwasserproben, die sie mittels feiner Membranen entgasen. Sie trennen Stickstoff, Sauerstoff und andere Spurengase ab und liefern den Quantenoptikern im Nachbargebäude schließlich das reine Argon – samt dem verschwindend geringen Anteil des radioaktiven Argon-39, den es genau zu bestimmen gilt.
Argon in der Falle
Im ATTA-Experiment regen wechselnde elektrische Felder zunächst das Edelgas an, ähnlich wie in einer Neonröhre. Magnetfelder fokussieren den resultierenden Strahl aus Argon. Die Atome schießen durch die längliche Vakuumkammer und werden dabei abgebremst. Dann landet das Argon in einer so genannten magnetooptischen Falle: Aus sechs Raumrichtungen halten Laser genau die Atome fest, die das für Argon-39 typische Lichtspektrum zeigen. Nach einigen Stunden ist die Messung bereits abgeschlossen.
Für Markus Oberthaler hat ATTA einen Vorteil gegenüber den Messungen im Berner Untergrundlabor: Die Quantenphysiker kümmerten sich nicht um den extrem seltenen radioaktiven Zerfall – und daher könnten Forscher prinzipiell deutlich kleinere Wasserproben verwenden. Zwar bleibt auch die Zahl der mit ATTA zu zählenden Atome extrem klein, was ein einfacher Vergleich zeigt: In einem weltumspannenden Konvoi von mit weißem Reis beladenen Lastwagen bestünde die Aufgabe darin, genau ein schwarzes Korn aufzuspüren. Entsprechend war bei der Arbeit am ATTA-Experiment auch eine gewisse Frustrationstoleranz nötig, sagt Sven Ebser. Er ist bereits der dritte verantwortliche Doktorand an dem Experiment, das erst nach sechs Jahren erstmals erfolgreich Grundwasserproben datierte.
Die Entwicklung von ATTA steht entsprechend noch am Anfang – und die Methode müsste weiter verfeinert werden. Dafür arbeiten Physiker in den USA und China an vergleichbaren Verfahren. ATTA könne irgendwann zum Standardwerkwerkzeug werden, um Grundwasser zu analysieren, schreibt Zheng-Tian Lu. Er ist einer der weltweit führenden ATTA-Forscher am Argonne National Laboratory im US-Bundesstaat Illinois.
Klimaarchiv im Grundwasser
Das Alter eines Grundwassers genau zu bestimmen, könne im 21. Jahrhundert eine immer wichtigere Aufgabe werden, sagt Werner Aeschbach-Hertig. Denn je älter ein Wasser ist, umso unwahrscheinlicher ist der Einfluss menschlicher Verunreinigungen. Vor allem ist es das Nitrat aus der Landwirtschaft, aber auch Schadstoffe aus Industrieanlagen, die das Wasser nahe unter der Oberfläche vielerorts belasten. Gerade in trockenen Regionen mit hohem Bevölkerungswachstum wird dennoch immer mehr Grundwasser gewonnen, auch aus geringen Tiefen. Schon heute fördert nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation ein Drittel der Weltbevölkerung Wasser aus dem Erdreich – mit wachsender Tendenz. Das bedingt ein steigendes Interesse an zuverlässigen Analysemethoden.
Dazu gestaltet Wasser auch das tägliche Wetter und das Klima über die Jahrtausende. Einmal versickert, trägt es viele Informationen über das aktuelle Klima mit sich. Deshalb hoffen Wissenschaftler, mit der Methode diverse Fragen klären zu können: US-Forscher bestimmten etwa mit ATTA und dem Edelgas Krypton-81 das Alter des so genannten nubischen Grundwassers unter Ägypten auf rund eine Millionen Jahre. Sie schlossen anhand anderer Eigenschaften des Wassers, dass zu jener Zeit deutlich mehr feuchte Luft vom Atlantik gekommen sein muss. Wird ATTA weiter verfeinert, könnte das tiefe Grundwasser bald – genau wie Bohrkerne aus Eis, Korallen oder Stalaktiten – weltweit als lokales Klimaarchiv verwendet werden. Damit ließe sich etwa das europäische Klima der Vergangenheit noch genauer rekonstruieren.
Umweltforscher wüssten bisher kaum etwas über das tiefe Grundwasser, sagt Aeschbach-Hertig. Seine Kollegen diskutieren bis heute darüber, ob es hunderte Meter tief in Sedimentgesteinen noch richtig strömen kann, was sich über Altersbestimmungen aus tiefen Brunnen klären ließe. Dieses Wissen ist umso wichtiger, als Eingriffe in dieser Tiefe in Zukunft zunehmen werden: Dazu gehören Erdwärmebohrungen, Speicher für Gas und Kohlendioxid und vor allem mittels Hydraulic Fracturing – das Fracking – gewonnenes Erdgas. Bei diesem Verfahren öffnen Bohrarbeiter weit reichende Risse im Gestein, die sie mit Wasser und diversen Zusätzen offen halten. Manche dieser Stoffe können gesundheitsgefährdend sein und sollten in der Tiefe bleiben. Ob es tatsächlich dort verbleiben würde, könnten Altersmessungen am genutzten Trinkwasser schon vorab belegen.
Was bringt die Zukunft?
Auch Ozeanforscher haben viele Fragen, die sie mit ATTA zu beantworten hoffen. Dazu gehören Prozesse, die etwa vor Grönland die Meeresströmungen antreiben, weil hier immer neues Wasser in die Tiefe absinkt. Dabei gelangen Nährstoffe und Sauerstoff in die Meere; gleichzeitig wird menschengemachtes Kohlenstoffdioxid der Atmosphäre entzogen. Die Ozeane sind damit eine der wichtigsten Senken für das Gas. Nur wie lange sie diese Rolle noch erfüllen, ist unklar: Die US-Meeresforscher Wallace Broecker und Tsung-Hung Peng forderten schon vor 15 Jahren, genauere Daten darüber zu sammeln, wie die Zirkulation der Ozeane im Detail funktioniert. Argon-39 in den Weltmeeren habe man aber schon seit Jahrzehnten nicht mehr systematisch untersucht, sagt Roland Purtschert. Dafür sei das bisherige Verfahren im Berner Untergrundlabor zu teuer. Mit ATTA könnte sich das ändern.
Für Atomphysiker ist Argon-39 nur eines von mehreren interessanten Isotopen. Weltweit wird daran gearbeitet, mit ATTA noch andere Edelgase aus natürlichen Proben zu zählen. Dazu gehört das Isotop Krypton-81. Es zerfällt in durchschnittlich 229 000 Jahren – und könnte dabei helfen, das älteste Eis des Planeten zu finden. Das wird in der Antarktis vermutet, aber Eis dieses Alters zu datieren, war bisher schwierig. Physiker an der Universität Hamburg möchten ATTA gar für die Friedensforschung einsetzen: Denn ein anderes, schnell zerfallendes Krypton-Isotop lässt sich nach einem erfolgten Atombombentest weltweit in winzigen Mengen in der Luft feststellen.
Roland Purtschert am Berner Untergrundlabor bleibt vorsichtig: Für ihn ist ATTA eine neue Methode, die sich im wissenschaftlichen Alltag erst bewähren muss. Dafür sei es unabdingbar, das mit ATTA bestimmte Alter von Wasserproben auch gelegentlich in Bern zu überprüfen. Zumachen müsse das Untergrundlabor daher noch lange nicht.
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