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Magmakammer unter Island: Mit einer Bohrmaschine zum Mittelpunkt der Erde

In Island planen Wissenschaftler, zu einem Reservoir mit flüssigem Gestein vorzudringen. So wollen sie erstmals Magma direkt erforschen - und geothermische Energie erschließen.
Der Kratersee des Krafla-Vulkans in Island
Die Krafla ist ein isländisches Vulkansystem von etwa 100 Kilometer Länge. Hier blickt man in den Kratersee des gleichnamigen Zentralvulkans.

Island ist eines der verbohrtesten Länder der Welt. Das ist als Kompliment gemeint, nicht als Beleidigung. Der Inselstaat ist nämlich mit Tausenden von Bohrlöchern übersät, die tief in den Fels getrieben wurden, um geothermische Energie zu gewinnen. Demnächst wird noch ein weiteres hinzukommen – allerdings nicht irgendeins. »Wir werden in eine Magmakammer vorstoßen«, sagt Hjalti Páll Ingólfsson vom Geothermal Research Cluster (GEORG) in Reykjavík. »Es ist die erste Reise zum Mittelpunkt der Erde«, ergänzt sein Kollege Björn Þór Guðmundsson.

Nun, nicht ganz zum Mittelpunkt. Einige Magmakammern – unterirdische Reservoirs geschmolzenen Gesteins – liegen nur wenige Kilometer unter der Erdoberfläche und damit in Reichweite moderner Bohrer. Gelegentlich tritt aus diesen Kammern Magma an die Oberfläche aus, wo es sich als Lava entlädt. Genau das geschah im Januar 2024 in der Nähe der Stadt Grindavík in Südisland auf spektakuläre und verheerende Weise. Das Problem ist, dass meist völlig unbekannt ist, wo die Magmakammern liegen. »Es gibt keine geophysikalische Technik, mit der sich Magmareservoirs zufrieden stellend lokalisieren lassen«, sagt der Vulkanologe John Eichelberger von der US-amerikanischen University of Alaska Fairbanks.

Jetzt aber haben Ingólfsson und seine Kollegen einen Glücksgriff getan. Sie sind zufällig über eine nahe an der Oberfläche liegende Magmakammer gestolpert – und haben Pläne, das Undenkbare zu tun: absichtlich in sie hineinzubohren. Das Projekt wird nicht weniger als Wissenschaftsgeschichte schreiben, da sind sich die Fachleute einig. Es ist die erste Chance, das flüssige Gestein, aus dem die irdische Landmasse aufgebaut ist, direkt zu untersuchen. Und es könnte ein neuer Weg gefunden werden, die Welt unbegrenzt mit günstiger und sauberer Energie zu versorgen.

»Die Leute hätten dich ausgelacht und gesagt, man würde damit eine Eruption auslösen«John Eichelberger, Vulkanologe

Noch nie hat es jemand gewagt, in eine Magmakammer zu bohren; nicht nur, weil im Allgemeinen nicht klar ist, wo sie sich befinden, sondern auch wegen der offensichtlichen Risiken. »Allein der Vorschlag klang lange Zeit völlig absurd«, so Eichelberger, der seit Jahrzehnten Vulkane erforscht. »Die Leute hätten dich ausgelacht und gesagt, man würde damit eine Eruption auslösen.« Doch 2009 änderte sich das dramatisch und unerwartet. Der Grund ist ein Vulkan namens Krafla im Nordosten von Island.

Die Entdeckung der Magmakammer

Die Krafla ist eines der aktivsten Vulkansysteme der Welt. Der Spaltenschwarm sitzt direkt auf dem mittelatlantischen Rücken an einem Punkt, an dem die eurasische und die nordamerikanische tektonische Platte aufeinandertreffen. Seit der Besiedlung Islands im 9. Jahrhundert ist der Zentralvulkan 29-mal ausgebrochen. Die jüngste Aktivität fand zwischen 1975 und 1984 statt, als er insgesamt neunmal Lava spie – eine Episode, die als Krafla-Feuer bekannt ist.

Diese Ereignisse wurden bereits intensiv von Geowissenschaftlern untersucht, darunter auch von den Vulkanologen Katia und Maurice Krafft, die 1991 bei einem Vulkanausbruch in Japan auf tragische Weise ums Leben kamen (der 2022 gedrehte Film »Fire of Love« erzählt ihre Geschichte). Die Arbeiten am Krafla führten 1978 zur Entdeckung einer mutmaßlichen Magmakammer etwa drei bis sieben Kilometer unterhalb des Vulkans. Páll Einarsson von der Universität Island hatte damals seismische Wellen kartiert, die von der tektonischen Aktivität im Zusammenhang mit den Eruptionen ausgingen, und fand dabei zwei Schatten in den Daten – also Stellen, an denen die Wellen deutlich schwächer waren oder ganz fehlten. Dies kann durch eine Flüssigkeit wie Magma verursacht werden, die die Wellen absorbiert – aber es sind auch andere Erklärungen möglich. Zumindest war es ein Hinweis darauf, dass es dort unten etwas Interessantes zu erforschen gibt.

Im Jahr 2000 beschloss das Icelandic Deep Drilling Project (IDDP), ein Konsortium aus Industrie und Regierung, in den Vulkan zu bohren. Man wollte die Möglichkeit erkunden, extrem heißes und unter Druck stehendes »überkritisches« Wasser als Quelle für geothermische Energie anzuzapfen. Das Konsortium wählte eine Stelle, an der eine geophysikalische Untersuchung eine Magmakammer – wenn sie denn existiert – in etwa 4500 Meter Tiefe vorhersagte. Acht Jahre später begann schließlich der größte isländische Energieversorger Landsvirkjun, der in Krafla ein Geothermiekraftwerk betreibt, mit den Bohrungen.

Der Plan war zunächst, bis auf 4000 Meter vorzudringen, um nahe genug an das Magma heranzukommen, aber dennoch in sicherer Entfernung zu bleiben. Die Arbeiten verliefen bis Anfang 2009 reibungslos. Dann, in einer Tiefe von etwa 2000 Metern, begann der Bohrer auf unerklärliche Weise zu stottern. In 2104 Meter Tiefe stürzte er plötzlich ab und blieb abrupt stehen. Die Ingenieure zogen ihn 13 Meter zurück und versuchten, ihn wieder abzusenken, aber er ließ sich nicht mehr bewegen. Tage später zeigten Proben aus dem Bohrloch, dass es von einer Art ultrahartem vulkanischem Glas, Obsidian genannt, gefüllt war. Die einzig mögliche Erklärung: Der Bohrer muss in eine Magmakammer eingedrungen sein; beim Zurückziehen strömte geschmolzenes Gestein in den Kanal und verstopfte die Öffnung. »Das alles kam völlig unerwartet«, so Bjarni Pálsson von Landsvirkjun, der das damalige Projekt leitete.

Wie sicher ist es, in Magma zu bohren?

Der Vulkanologe John Eichelberger erzählt, die ganze Sache habe ihn damals sehr verblüfft. »Ich und einige andere Wissenschaftler, die sich mit Vulkanen befassen, waren einfach nur erstaunt, dass jemand tatsächlich in die Kammer gebohrt und Proben von Magma genommen hatte.« Später stellte sich heraus, dass ähnliche Vorkommnisse bereits zweimal stattgefunden hatten, einmal in der Menengai-Caldera in Kenia und am Vulkan Kīlauea auf Hawaii. Das war der Beweis dafür, dass es sowohl möglich als auch sicher ist, in Magma zu bohren, ohne eine Eruption auszulösen.

Landsvirkjun nutzte das Krafla-Bohrloch neun Monate lang zur Stromerzeugung. Doch der Bohrkopf an der Oberfläche überhitzte schließlich auf 450 Grad Celsius. Das Unternehmen versuchte, ihn mit kaltem Wasser abkühlen – mit explosivem Resultat. Dramatische Filmaufnahmen von damals zeigen riesige schwarze Rauchwolken, die aus dem Bohrloch aufsteigen. Dabei habe es sich allerdings nicht um einen Vulkanausbruch gehandelt, sondern um die eingeäscherten Überreste des Bohrers und seines Stahlgehäuses, so Ingólfsson. »Das hat den Schacht im Wesentlichen zerstört«, erläutert Eichelberger.

Pálsson und sein Team beschlossen, die leicht zugängliche Magmakammer zu nutzen, um einen lang gehegten Traum der geowissenschaftlichen Community zu verwirklichen: die Erforschung einer solchen Kammer. 2014 riefen sie das Projekt Krafla Magma Testbed (KMT) ins Leben. Ein Jahrzehnt später sind sie fast so weit, mit den Bohrungen zu beginnen.

»Davon haben wir immer geträumt. Ich hätte nicht gedacht, dass uns das jemals gelingen würde«John Eichelberger, Vulkanologe

Die engsten Begegnungen mit geschmolzenem Gestein hatten Geowissenschaftler bisher bei einer Reihe von Expeditionen auf Hawaii, die das US-Energieministerium durchgeführt hatte. 1959 brach der Vulkan Kīlauea aus und füllte seinen Krater bis zu einer Tiefe von 130 Metern mit Lava. In den folgenden 30 Jahren entnahm das Ministerium Proben aus dem Lavasee, der allmählich erstarrte. »Wir haben mehrere Bohrungen vorgenommen. Es ist wirklich erstaunlich, dass man überhaupt in flüssiges Gestein eindringen kann«, erklärt Eichelberger, der an diesem Projekt mitgewirkt hat. Aber damit war es dann auch schon getan. Als nächster Schritt sollte eine Magmakammer entdeckt und angebohrt werden, doch die Forscher wurden nicht fündig.

Nun geht die Suche wieder los. »Davon haben wir immer geträumt«, sagt Eichelberger. »Ich hätte nicht gedacht, dass uns das jemals gelingen würde.«

Zunächst will das Konsortium in die Magmakammer bohren und sie wissenschaftlich erkunden. Das soll ab 2026 in der Nähe des ursprünglichen Bohrlochs erfolgen. Das Ganze wird etwa zwei Monate dauern, in denen man sich mühsam durch das Vulkangestein vorarbeitet. In erster Linie wollen die Forscher ihr grundlegendes Wissen über Magma und die Kammern, die es enthalten, erweitern. »Wir wissen nicht direkt, wie Magmakammern aussehen, was für das Verständnis von Vulkanen natürlich entscheidend ist«, berichtet Paolo Papale von Italiens Nationalem Institut für Geophysik und Vulkanologie in Pisa. Das wenige Wissen, das es gibt, stammt größtenteils aus der Untersuchung von Lava. Aber Lava und Magma sind nicht dasselbe. Es wird viel Gas freigesetzt, wenn geschmolzenes Gestein an die Oberfläche kommt, das dann als Lava in die Atmosphäre gelangt. Dadurch verändert sich die chemische Zusammensetzung. »Wenn wir in die Kruste eindringen und Proben von Magma nehmen könnten, würden wir enorm viel zusätzliches Wissen gewinnen«, sagt Ingólfsson.

Die Entwicklung von Sensoren ist eine große Herausforderung

Darüber hinaus wollen die Forscher wissenschaftliche Instrumente in das Magma einbringen – vor allem Temperatursensoren. Sie würden auch gerne Druckmessungen vornehmen, aber das sei eine größere Herausforderung, so Ingólfsson: Die Entwicklung von Sensoren sowie von Bohrern, die der starken Hitze, dem Druck und der Säurebelastung standhalten können, wird viel Zeit in Anspruch nehmen – daher der Starttermin im Jahr 2026.

»Es ist der Large Hadron Collider der Erdwissenschaften«Paolo Papale, Geophysiker

Der Plan sieht vor, Messinstrumente in das Magma abzusenken und sie so lange dort zu belassen, wie sie überleben. Der Bohrer kühlt das Magma beim Eintauchen ab und verfestigt es zu Obsidian, das die Sensoren daraufhin einschließt. Kurz danach wird das Magma sich aber wieder aufheizen und verflüssigen, so dass die Sensoren darin untergehen. »Wir hoffen, zumindest die Temperatur direkt messen zu können, was bisher noch nie gemacht wurde«, sagt Ingólfsson. Das Bohrloch soll geöffnet bleiben, so dass weitere Überwachungen und Experimente über viele Jahre hinweg durchgeführt werden können. KMT bezeichnet es als das erste Magma-Observatorium der Welt. »Es ist der Large Hadron Collider der Erdwissenschaften«, betont Papale.

Das Team will auch das Temperaturgefälle beim Übergang des festen Gesteins in Magma messen, die so genannte spröde-duktile Zone. Eine der großen Überraschungen des früheren, unerwarteten Zusammentreffens von Bohrer und Magmakammer an diesem Ort war nämlich, wie schnell das geschah. »Die Theorie besagt, dass man sich zunächst durch festes Gestein hindurcharbeiten muss, bevor man dann an den Übergang stößt, wo das Gestein durch die Hitze ein wenig weicher und elastischer wird«, erläutert Ingólfsson. Eigentlich dachte man, dass sich dies über Hunderte von Metern zieht, aber bei Krafla waren es nur ein paar Meter.

»Dies ist eine Chance zu ergründen, wie unser Planet die kontinentale Kruste bildet«John Eichelberger, Vulkanologe

Auch die Art des Magmas des Krafla-Systems ist von großem Interesse. Die meisten Vulkane spucken basaltische Lava aus, die sich zu dem vulkanischen Gestein Basalt verfestigt. Island ist im Grunde ein kolossaler Klumpen aus porösem Basalt. Die 2009 entnommenen Proben zeigen jedoch, dass die Krafla auch rhyolitisches Magma beherbergt, das mehr Siliziumdioxid enthält, viel zähflüssiger ist, nicht ausbricht und zu den haltbareren Gesteinen Granit und Rhyolith erstarrt. Das sind die Substrate für die Bildung von Kontinenten, aber der Prozess ist nicht gut verstanden, erläutert Eichelberger: »Dies ist eine Chance zu ergründen, wie unser Planet die kontinentale Kruste bildet.«

Ein zweites Ziel ist es, die Vorhersage von Eruptionen zu verbessern. Gegenwärtig geschieht das größtenteils mit Hilfe von Seismometern und anderen Instrumenten an der Oberfläche, was jedoch sehr ungenau ist. »Wenn an einem Vulkan etwas passiert, wenn sich der Boden zu bewegen beginnt, nennen wir das vulkanische Unruhen«, so Papale. »Es bedeutet, dass etwas passiert, aber uns fehlen direkte Informationen darüber, was genau. Wir müssen unsere Messungen an der Oberfläche mit der Dynamik in Verbindung bringen, die dort unten stattfindet.«

Dazu soll das magmatische Wespennest angestoßen werden, um zu sehen, was an der Oberfläche passiert. Die Wissenschaftler könnten beispielsweise Flüssigkeiten in die Kammer einspritzen, um den Druck und die Temperatur zu verändern, und dann die Ergebnisse messen. »Wir können echte Experimente an einem echten Vulkansystem und an vulkanischen Unruhen durchführen, damit wir die Bedeutung der Signale verstehen, die wir an anderen Vulkanen aufzeichnen«, sagt Papale.

Dieses Wissen hätte unter anderem geholfen, frühzeitig vor dem Ausbruch in Grindavík zu warnen, und kann künftig an anderen gefährdeten Orten nützlich sein. Ein Beispiel dafür sind etwa die Phlegräischen Felder, eine Art Supervulkan in der dicht besiedelten italienischen Region Kampanien. »Dort leben Millionen von Menschen, es gibt große Infrastrukturen, Industriegebäude und so weiter«, sagt Papale. Die mit aktiven Vulkanen verbundenen Risiken besser einschätzen zu können, sei damit von großer Bedeutung. Die Experimente könnten auch dazu beitragen, noch unbekannte Magmakammern leichter zu finden. »Wenn wir sie absichtlich durchstoßen, können wir lernen, wie wir Magma in geringer Tiefe erkennen können«, hofft Papale.

Unbegrenzt geothermische Energie

Das dritte Ziel wäre ein echter Quantensprung in der geothermischen Energieerzeugung. Sobald die wissenschaftliche Bohrung abgeschlossen ist, werden die Forscher eine zweite Bohrung in Angriff nehmen, um eine neuartige Energiequelle zu testen, die die Welt mit großen Mengen sauberen Stroms zum Nulltarif versorgen könnte.

Island und viele andere vulkanisch aktive Länder, vor allem Kenia und die USA, nutzen bereits heiße geothermische Flüssigkeiten, um Turbinen anzutreiben und Strom zu erzeugen. Allerdings wird damit derzeit nur ein Bruchteil der verfügbaren Energie genutzt. Ein Kraftwerk, das mit fossilen Brennstoffen betrieben wird, verwendet Dampf mit einer Temperatur von etwa 450 °C, während geothermische Standardflüssigkeiten eine Temperatur von nur etwa 250 °C haben. »Bei niedrigen Temperaturen ist die Stromerzeugung ziemlich ineffizient«, sagt Eichelberger. »Es besteht also ein großes Interesse daran, die superheiße Geothermie weiterzuentwickeln.«

Erdwärmekraftwerk | Am Krafla-Vulkan gibt es bereits Kraftwerke, die aus der Wärme des vulkanischen Untergrunds Strom erzeugen. Die Energie, die in einer Magmakammer steckt, wäre jedoch um ein Vielfaches höher.

Bevor der Krafla-Bohrkopf 2009 im Magma versank, traf er auf geothermische Flüssigkeiten mit einer Temperatur von zirka 900 °C und einem Druck, der ungefähr 500-mal so hoch war wie der der Atmosphäre. Das ist etwa zehnmal so viel Energie wie bei einer normalen Erdwärmebohrung. Das von KMT entwickelte technische Knowhow und die verbesserte Fähigkeit, Magmakammern zu entdecken, könnten zu einer neuen Energietechnologie führen, der so genannten magmennahen Geothermie. Dabei wird in die spröde-duktile Zone gebohrt und extrem heißes Wasser mit hohem Druck zum Antrieb von Turbinen genutzt. Man könnte meinen, dass man zum Anzapfen dieser Energiequellen zwangsläufig viel tiefer bohren müsste als für normale Geothermie und das Ganze daher auch teurer ist. Aber das ist nicht der Fall. Die Standard-Geothermieanlagen in Island, die im Aufbau zirka fünf Millionen Dollar kosten, haben Schächte, die etwa 2,5 Kilometer in die Tiefe führen, also tiefer als die Magmakammer von Krafla. Zum Vergleich: Die bestehenden geothermischen Anlagen erzeugen Strom, der rund 4 Cent pro Kilowattstunde kostet, was ungefähr einem Achtel des derzeitigen Strompreises in Deutschland entspricht.

An vielen Orten auf der Welt gäbe es das Potenzial, diese neue geothermische Methode zu nutzen, so etwa entlang des gesamten mittelatlantischen Rückens im Atlantischen Ozean. »Denken Sie an all die Grabenbrüche in den Weltmeeren«, sagt Ingólfsson. »Wir könnten die Erfahrung und das Wissen über fortschrittliche Offshore-Bohrplattformen für Öl und Gas nutzen und es mit dem neuen Knowhow über die Energiegewinnung aus Magma verbinden.« Ihm schweben große Plattformen vor, die Energie aus Magmalöchern gewinnen und diese zur Herstellung kohlenstoffarmer synthetischer Brennstoffe nutzen.

Das ist zwar noch Zukunftsmusik. Aber das Konsortium KMT könnte es Wirklichkeit werden lassen. »Es gibt unendlich viele Möglichkeiten«, betont Ingólfsson. »Wir müssen nur lernen, wie wir dieses Monster zähmen können« – und die Forscher sollten vor allem verbohrt bleiben.

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