Forscher der University of Chicago haben mit 3D-gedruckten Modellen von Sedimentbecken die Auswirkungen der Bewegungen unterhalb von Los Angeles und anderen Städten untersucht. Dabei zeigte sich, dass seismische Wellen mit der höchsten Frequenz in den Modellbecken gedämpft werden. Wir fassen zusammen.

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Städte wie Los Angeles oder Mexiko-City, die bekannt sind für häufige Erdbeben, liegen in natürlich vorkommenden Sedimentbecken. Numerische Modellierungen ergaben, dass sich Erschütterungen innerhalb von Becken verstärken. Derartige Modellierungen sind jedoch in ihrer räumlichen Auflösung begrenzt und werden durch Gleichungen eingeschränkt. Da sie ein nützliches Mittel sind, um Bodenbewegung in Sedimentbecken besser zu verstehen, haben Forscher eine Reihe seismischer Experimente mit Modellen aus dem 3D-Drucker der Welt unter Los Angeles durchgeführt. Es zeigte sich, dass seismischen Wellen mit der höchsten Frequenz, die für Gebäude am zerstörerischsten sind, im Becken der Modelle gedämpft wurden. In numerischen Modellen war das bisher nicht vorherzusehen.

3D-Druck von Modellen zur Erdbebenforschung

Karte vom Becken von Los Angeles
Das ASTER-Erdbeobachtungsinstrument der NASA beobachtet das Becken von Los Angeles. Zukünftig helfen auch Modelle aus dem 3D-Drucker die Erdbebengefahr besser einschätzen zu können (Bild © NASA JPL).

Sedimentbecken sind komplexe geologische Strukturen, die laufend mit Material geringerer Dichte gefüllt werden, das von Flüssen und Erdrutschen abgelagert wird. Chukwuebuka C. Nweke, ein nicht am Projekt beteiligter Bauingenieur, beschreibt sie als eine Schüssel, die mit Zeug gefüllt wird. Das als numerisches Modell zu reproduzieren, ist eine Herausforderung. Damit für die nötigen Berechnungen Rechner nicht 20 Jahre durchlaufen müssen, begannen Sunyoung „Sunny“ Park , Seismologin an der University of Chicago, und ihre Kollegen mit dem 3D-Druck von Modellen der Becken von Los Angeles. Selbst relativ kleine natürliche Dichtevariationen ließen sich so nachbilden. Das ist circa um den Faktor 10 besser als die räumliche Auflösung eines numerischen Modells.

Ihre Modelle entstanden aus pulverisiertem Edelstahl, das schichtweise erhitzt und verbunden wurde. Die Änderung der Druckparameter erlaubte es ihnen, den Porenraum zu steuern, wodurch sie einen variablen Dichtebereich drucken konnten. Die 3D-gedruckten Modelle sind 20 Zentimeter lang, vier Zentimeter breit und 1 Zentimeter dick. Jedes einzelne fängt eine Reihe von geologischen Strukturen innerhalb des 50 Kilometer breiten Beckens von Los Angeles im Maßstab 1:250.000 ein.

Mit Laserlicht im Megahertz-Frequenzbereich schossen sie auf ihre Modelle und erzeugten extrem kleine Erdbeben. Das erwärmte die Modelle, was zu Bewegung führte. Park und ihre Kollegen zeichneten Bodenbewegungen an der Spitze der Modelle in der Größenordnung von Zehntel Nanometern auf. Höhere Frequenzen der Bodenbewegung wurden im Becken reduziert. An den Beckenrändern wurden sie selektiv zurückgeworfen.

Diese Ergebnisse wurden auf der Herbsttagung 2021 der AGU mit dem Titel „S12A-08 – Ground Motions Simulated on a 3D Printed Model of the Los Angeles Basin“ vorgestellt.

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