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Nutzung der Wellenkraft zum Wiederaufbau von Inseln und zur Bekämpfung des Anstiegs des Meeresspiegels

Forscher bereiten Tauchboot vor

In der unteren linken Ecke dieses Fotos bereiten die Forscher ein Tauchgerät vor. „Gemeinsam mit unseren Mitarbeitern auf den Malediven entwerfen, testen, bauen und implementieren wir Tauchgeräte, die aufgrund ihrer Geometrie in Bezug auf die Wellen und Strömungen des Ozeans die Sandansammlung in bestimmten Gebieten fördern“, sagt Associate Professor Skylar Tibbits . Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung der Forscher

Auf den Malediven MIT Das Team führt Experimente zur Bekämpfung des Anstiegs des Meeresspiegels durch, indem es die Bewegung des natürlichen Sandes umleitet.

Viele Inselstaaten, einschließlich der Malediven im Indischen Ozean, sind aufgrund des durch den globalen Klimawandel verursachten Anstiegs des Meeresspiegels einer existenziellen Bedrohung ausgesetzt. Eine Gruppe von MIT-Forschern unter der Leitung von Skylar Tibbits, einem außerordentlichen Professor für Designforschung am Department of Architecture, testet Möglichkeiten, die eigenen Kräfte der Natur zu nutzen, um bedrohte Inseln und Küsten zu erhalten und wieder aufzubauen.

Rund 40 Prozent der Weltbevölkerung leben in Küstengebieten, die in den kommenden Jahrzehnten vom Anstieg des Meeresspiegels bedroht sind. Es gibt jedoch nur wenige bewährte Maßnahmen, um der Bedrohung entgegenzuwirken. Einige schlagen vor, Sperrmauern zu bauen, Küsten auszubaggern, um Strände wieder aufzubauen, oder schwimmende Städte zu bauen, um dem Unvermeidlichen zu entkommen, aber die Suche nach besseren Ansätzen geht weiter.

Die MIT-Gruppe wurde von Invena eingeladen, einer Gruppe auf den Malediven, die die Arbeit der Forscher zur Selbstorganisation und Selbstorganisation gesehen hatte und an Lösungen zur Bekämpfung des Anstiegs des Meeresspiegels zusammenarbeiten wollte. Das resultierende Projekt hat nun vielversprechende erste Ergebnisse gezeigt, wobei sich in nur vier Monaten eineinhalb Fuß lokalisierter Sandansammlung abgelagert haben. MIT News bat Tibbits, den neuen Ansatz und sein Potenzial zu beschreiben.

MIT Building Islands

Das resultierende Projekt hat nun vielversprechende erste Ergebnisse gezeigt, wobei sich in nur vier Monaten eineinhalb Fuß lokalisierter Sandansammlung abgelagert haben. Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung der Forscher

F: Seit Jahrhunderten versuchen die Menschen, die Bewegung des Sandes zu verändern und zu kontrollieren. Was war die Inspiration für diesen neuen und anderen Ansatz beim Wiederaufbau von Stränden und Küsten?

EIN: Als wir die Malediven zum ersten Mal besuchten, wurden wir zu einer örtlichen Sandbank gebracht, die sich gerade gebildet hatte. Es war unglaublich zu sehen, wie groß die Sandbank war, etwa 100 Meter lang und 20 Meter breit, und wie viel Sand, der über 1 Meter tief war und in nur wenigen Monaten vollständig selbst gebaut wurde. Wir haben verstanden, dass diese Sandbänke zu verschiedenen Jahreszeiten erscheinen und verschwinden, basierend auf den Kräften des Ozeans und der Unterwasser-Bathymetrie. Lokale Historiker erzählten uns, wie sie mit dem Ozean zusammenarbeiten und die Vegetation wachsen lassen würden, um ihre Inseln zu erweitern oder ihre Form zu verändern. Diese natürlichen und kollaborativen Ansätze zur Steigerung der Landmasse durch Selbstorganisation des Sandes standen in krassem Gegensatz zum menschlichen Ausbaggern von Sand aus dem tiefen Ozean, der auch zur Inselgewinnung verwendet wird. In der gleichen Zeit, die zum Ausbaggern einer Insel benötigt wird, die Monate dauert, haben wir drei verschiedene Sandbänke mithilfe von Satellitenbildern beobachtet.

Wir begannen zu begreifen, dass die Menge an Energie, Zeit, Geld, Arbeit und Zerstörung der Meeresumwelt, die durch das Ausbaggern verursacht wird, wahrscheinlich gestoppt werden könnte, wenn wir verstehen könnten, warum sich Sandbänke auf natürliche Weise bilden und dieses natürliche Phänomen der Selbstorganisation nutzen. Das Ziel unserer Labor- und Feldversuche ist es, Hypothesen zu testen, warum sich Sandbänke bilden, und diese in Mechanismen zur Förderung ihrer Akkumulation an strategischen Standorten umzusetzen.

Durch die Zusammenarbeit mit den natürlichen Kräften des Ozeans glauben wir, dass wir die Selbstorganisation von Sandstrukturen fördern können, um Inseln zu züchten und Strände wieder aufzubauen. Wir glauben, dass dies ein nachhaltiger Ansatz für das Problem ist, der letztendlich auf viele Küstengebiete auf der ganzen Welt ausgeweitet werden kann, ebenso wie die Waldbewirtschaftung dazu dient, die Wälder zu stärken und vor unkontrollierten Bränden oder Überwucherung zu schützen.

F: Können Sie beschreiben, wie dieses System funktioniert und wie es die Energie der Wellen nutzt, um den Sand an den Stellen aufzubauen, an denen er benötigt wird?

EIN: Zusammen mit unseren Mitarbeitern auf den Malediven entwerfen, testen, bauen und implementieren wir Tauchgeräte, die aufgrund ihrer Geometrie in Bezug auf die Meereswellen und -strömungen die Sandansammlung in bestimmten Gebieten fördern. In unserem ersten Feldversuch haben wir Blasen aus strapazierfähigem Segeltuch gebaut, die zu den genauen Rampengeometrien zusammengenäht wurden. Bei unserem zweiten Feldexperiment haben wir die besten Designs aus Hunderten von Laborexperimenten genommen und sie aus einer Geotextilmembran herstellen lassen. In beiden Experimenten füllten wir die Blasen mit Sand, um sie zu beschweren, und tauchten sie dann unter Wasser. Für unser nächstes Feldexperiment bauen wir Blasen mit internen Kammern, die wie ein Ballast in einem U-Boot wirken und es der Blase ermöglichen, zu sinken oder zu schweben und schnell bewegt oder eingesetzt zu werden. Bei jedem Experiment wird versucht, den Herstellungs- und Installationsprozess so einfach und skalierbar wie möglich zu gestalten.

Der einfachste Mechanismus, den wir testen, ist eine rampenartige Geometrie, die auf dem Meeresboden sitzt und sich vertikal zur Wasseroberfläche erhebt. Nach unserem besten Verständnis sehen wir, dass das Wasser, wenn es über die Rampe fließt, auf der anderen Seite Turbulenzen erzeugt, Sand und Wasser vermischt und dann Sedimenttransporte erzeugt. Der Sand beginnt sich auf der Rückseite der Rampe anzusammeln und sammelt sich ständig auf sich selbst an. Wir haben viele andere Geometrien getestet, die versuchen, Wrap-Around-Effekte zu minimieren oder die Akkumulation auf bestimmte Bereiche zu konzentrieren, und suchen weiterhin nach optimalen Geometrien. In vielerlei Hinsicht verhalten sich diese wie natürliche Tiefenschwankungen, Riffstrukturen oder vulkanische Formationen und können in ähnlicher Weise die Sandansammlung fördern. Unser Ziel ist es, anpassbare Versionen dieser Geometrien zu erstellen, die leicht verschoben, neu ausgerichtet oder eingesetzt werden können, wenn sich die Jahreszeiten ändern oder Stürme zunehmen.

Seit 2018 führen wir in unserem Labor am MIT in Zusammenarbeit mit Taylor Perron Experimente durch [the Department of] Erd-, Atmosphären- und Planetenwissenschaften. Wir haben zwei Wellentanks gebaut, in denen wir verschiedene Wellenbedingungen, Sandverhalten und Geometrien testen, um die Akkumulation zu fördern. Ziel ist es, unsere Laborexperimente und Modelle an die realen Bedingungen anzupassen, die für die beiden vorherrschenden Jahreszeiten auf den Malediven spezifisch sind. Wir haben bisher Hunderte von Panzerexperimenten durchgeführt und verwenden diese Studien, um Intuition und Einsicht darüber zu gewinnen, welche Mechanismen zu der größten Sandansammlung führen. Das beste dieser Laborexperimente wird dann zweimal im Jahr in Feldversuche übersetzt.

F: Wie konnten Sie die Auswirkungen Ihres Experiments erkennen und quantifizieren und was planen Sie, um dieses Projekt fortzusetzen und auszubauen?

EIN: Seit der Installation unseres ersten Feldexperiments im Februar 2019 und unseres zweiten Feldexperiments im Oktober / November 2019 haben wir Satellitenbilder, Drohnenaufnahmen und physikalische Messungen gesammelt. Die Satellitenbilder und Drohnenaufnahmen geben uns einen visuellen Hinweis auf die Sandansammlung. Es ist jedoch schwierig, die Sandmenge aus diesen Bildern zu quantifizieren. Daher verlassen wir uns stark auf physikalische Tiefenmessungen. Wir haben eine Reihe von Koordinaten, die wir an unsere Mitarbeiter auf den Malediven senden, die dann mit einem Boot oder Jetski zu diesen Koordinaten fahren und Tiefenmessungen durchführen. Wir vergleichen diese Messungen dann mit unseren vorherigen Messungen unter Berücksichtigung des Tages / der Uhrzeit und der Beziehung zur Gezeitenhöhe.

Mit unserem neuesten Feldexperiment haben wir Bilder und physikalische Messungen gesammelt, um die Sandansammlung zu analysieren. Seit November sammeln wir auf einer Fläche von etwa 20 mal 30 Metern etwa einen halben Meter neuen Sand an. Das sind ungefähr 300 Kubikmeter Sandansammlung in ungefähr vier Monaten. Wir sehen dies als vielversprechende frühe Ergebnisse, die Teil einer viel längerfristigen Initiative sind, bei der wir diese Ansätze weiterhin auf den Malediven und an verschiedenen anderen Orten auf der ganzen Welt testen möchten.

Wir haben kürzlich ein National Geographic Exploration-Stipendium erhalten und planen, später in diesem Jahr und 2021 für zwei weitere Feldinstallationen auf die Malediven zurückzukehren. Unser langfristiges Ziel ist die Schaffung eines Systems von Tauchstrukturen, die sich an das dynamische Wetter anpassen können Bedingungen für ein natürliches Wachstum und den Wiederaufbau der Küsten. Wir möchten diesen Ansatz skalieren und auf viele Standorte auf der ganzen Welt zuschneiden, um den Wiederaufbau und die Stabilisierung dicht besiedelter Küsten und gefährdeter Inselstaaten zu unterstützen.