C01 - Grundwassergravimetrie und QG-1

Für das Grundwassermanagement in Mitteleuropa bietet die bodengebundene Gravimetrie ein einzigartiges Potenzial zur lokalen Überwachung zeitlicher Schwankungen des Wassergehalts im Untergrund.

Das Quantengravimeter (QG-1) der LUH, welches mit Hilfe von frei-fallenden Atomen die Schwerebeschleunigung bestimmt, befindet sich in der letzten Phase der Entwicklung (A01) und soll noch 2021 für geodätische und gravimetrische Anwendungen bereit sein. Die Fähigkeiten des Absolutgravimeters QG-1 werden sowohl mit Messungen in Gebäuden, als auch bei Messkampagnen im Gelände eingesetzt und getestet. Schwerefeldvariationen durch Grundwasserveränderungen sollen mit einem Fehler von 10 nm/s² bestimmt werden.

Relativgravimeter leiden unter dem nichtlinearen Driftverhalten ihrer Messfeder, Unsicherheiten bei der Kalibrierung und Unzulänglichkeiten beim Schwerebezugsniveau. Der Einsatz klassischer Absolutgravimeter ist umständlich, da hoher personeller Aufwand betrieben werden muss und der Messablauf viel Zeit in Anspruch nimmt (3 Tage pro Punkt, für höchste Messgenauigkeit). Zusätzlich wird eine starre Aufstellplattform (z.B. Betonplatte) benötigt, um eine systematische Störung der interferometrischen Längenmessungen durch instrumentell bedingte Vibrationen zu vermeiden. Diese entstehen durch den Transport der makroskopischen Testmasse und aufgrund der Rückstoßantwort des Instruments und des Aufstellfundaments nach dem Abwurf (Freilassen) der 50 Gramm schweren Testmasse.

Die konstruktiven Vorteile dieses Quantengravimeters werden die Wirtschaftlichkeit von Messkampagnen mit Absolutgravimetern erheblich verbessern, da es höchste Genauigkeit mit weniger Personal in kürzerer Kampagnenzeit und mit schnellerem Messfortschritt bietet. Technische Merkmale sind: keine Langzeit-Drift-Effekte, keine instrumentellen Vibrationen durch den Messvorgang, hohe Präzision und vollautomatischer Betrieb.

Die Entwicklung des QG-1 und sein bevorstehender Einsatz stellt sich der gesellschaftlichen Herausforderung einer nachhaltige Nutzung von frischem Grundwasser als wirtschaftliche Notwendigkeit. Das Ziel dieses Projekts ist es, das Potenzial des QG-1 zur Verbesserung der Überwachung von Schwerkraftvariationen, die durch Grundwassermassenänderungen (saisonale und inter-jährige Signale) verursacht werden, zu demonstrieren. Die Quantengravimetrie soll die neue Anwender-Standardtechnik in der terrestrischen Gravimetrie werden.

© Timmen
Beobachtung des integralen Gravitationseffekts der lokal variienden Wasserspeicherung auf stündlicher bis saisonaler und mehrjähriger Skala.

FORSCHUNGSZIELE VON C01 - GRUNDWASSERGRAVIMETRIE UND QG-1

  1. In wissenschaftlicher Anwendung zeigen, dass QG-1 (Quantenmechanik) effektiver arbeitet (Zeit und Personal, Fehler), als klassische Instrumente (Newtonsche Mechanik)
  2. Gravimetrie als zusätzliche Standard-Untersuchungsmethode für Grundwasser-Geophysik und Hydrogeologie etablieren

BETEILIGTE WISSENSCHAFTLERINNEN UND WISSENSCHAFTLER

Projektleitung

Dr.-Ing. Ludger Timmen
Dr.-Ing. Ludger Timmen
Dr.-Ing. Heiner Denker
Dr.-Ing. Heiner Denker