Forschungsprojekt Ein neuer Blick ins Innere von Lawinen

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Um Simulationen von Lawinen zu verbessern, braucht es Daten, die bei natürlichen Ereignissen erhoben werden. Innsbrucker Forschende entwickeln für diesen Zweck eine neue Methode. Sie geben den abwärts rasenden Schneemassen kleine Sensorknoten mit auf den Weg, die während des Lawinenabgangs eine Vielzahl von Messungen durchführen. Das könnte unter anderem die Suche von Verschütteten erleichtern.

Dank jahrzehntelanger Forschungen können Lawinen heute viel besser charakterisiert, vorausgesagt und simuliert werden. Doch nach wie vor ist es vergleichsweise schwierig, tatsächlich in eine Lawine «hineinzusehen» und die Vorgänge in den herabstürzenden Schneemassen im Detail nachzuvollziehen. Bisherige Methoden nutzen vor allem Radargeräte, um die innere Dynamik von Lawinen zu vermessen. Doch mit der zunehmenden Digitalisierung und Miniaturisierung von Elektronik wird nun ein weiterer Ansatz zu einer realistischen Option: Man kann den Lawinen kleine Computer mit ausgeklügelter Sensorik mit auf den Weg geben, sodass sie inmitten der schwer erfassbaren Schneebewegungen Aufzeichnungen anfertigen.

Dieser Ansatz wird erstmals im Projekt «AvaRange: Objektverfolgung in Schneelawinen» verfolgt, das vom Bundesforschungszentrum für Wald (BFW) gemeinsam mit Forschungspartnern durchgeführt und vom Wissenschaftsfonds FWF und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt wird. Jan-Thomas Fischer und seine Kolleg:innen vom Institut für Naturgefahren des BFW in Innsbruck wollen mit diesem neuen Blick in die Lawine Laborexperimente und Computersimulationen ergänzen und damit auch zu mehr Sicherheit im Wintersport beitragen.

Mehr Sicherheit für Wintersporttreibende

«Klassischerweise erhalten sehr grosse Lawinenereignisse mit ihren potenziell katastrophalen Folgen grössere Aufmerksamkeit in der Forschung. Wir widmen uns dagegen kleineren Lawinen, die etwa für die Gefahrenzonenplanung nur indirekt von Bedeutung sind, für Wintersportler:innen auf und abseits der Piste aber sehr wohl relevant sein können», erklärt Fischer. In diesem Bereich seien die Simulationswerkzeuge noch weniger stark ausgereift. Ihre Verbesserung könnte beispielsweise helfen, Schutzbauten richtig zu positionieren und zu dimensionieren oder den wahrscheinlichsten Verschüttungsort von Lawinenopfern im Lawinenkegel zu bestimmen. Wintersportler:innen im alpinen Gelände nutzen heute spezielle Lawinenrucksäcke, die im Notfall einen Airbag entfalten, damit deren Träger:innen an die Oberfläche der Lawine transportiert werden. Auch die Verbesserung dieser Lawinenairbags könnte eine konkrete Anwendung der Forschungsergebnisse sein.

Tests auf der Innsbrucker Nordkette

Natürlich auftretende Lawinenereignisse sind selten und schwer zu beobachten. Entsprechend herausfordernd ist es, mehrere Lawinenereignisse mit vergleichbaren Rahmenbedingungen zu finden und reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen. Die Innsbrucker Forschenden kooperieren deshalb mit dem Skigebiet Nordkette, wo bei entsprechender Schneelage regelmässig Lawinensprengungen durchgeführt werden.

Bei der Ausgestaltung der Sensortechnik arbeiten Fischer und sein Team zudem mit Expert:innen der Universität Innsbruck und der TU Berlin zusammen. «Die Technologie, die wir nutzen, entspricht in etwa jener, die auch in einem fortgeschrittenen Smartphone verbaut ist. Dazu gehören Elemente zur genauen Positionierung mittels Satellitennavigationssystemen, Beschleunigungsmessern oder Gyroskopen, die die Lage der Sensormodule im Raum bestimmen, oder Sensoren, die die Temperaturentwicklung genau vermessen können», gibt Fischer Beispiele. Einer der wichtigsten Punkte ist die Konnektivität. Die Sensoreinheiten sollen nicht nur Kontakt zu Messpunkten ausserhalb der Lawinen, sondern in einer fortgeschrittenen Entwicklungsstufe auch zu ihren Pendants innerhalb der bewegten Schneemasse herstellen können. Mehrere Sensoreinheiten sollen dabei ein gemeinsames Netzwerk bilden und per Funkabstandsmessung kontinuierlich ihre relativen Positionen bestimmen. Verpackt werden Sensorik und Elektronik in stabilen Hüllen aus dem 3D-Drucker, die den extremen Bedingungen innerhalb der Lawinen standhalten müssen.

Das Chaos in den Griff bekommen

Die Bewegung der Sensorelemente innerhalb der Schneemassen verläuft naturgemäss äusserst chaotisch. Sie drehen sich, schlagen gegen Felsen, bewegen sich an der Oberfläche oder werden tief in der Lawine vergraben. «Diese Bewegungen nachzuvollziehen, ist relativ schwierig und bedarf einer ausgeklügelten Verknüpfung der Sensordaten», betont Fischer. Im Projekt wird unter anderem die Nutzung von eigenen Machine-Learning-Algorithmen geprüft, die die komplexen Daten vereinfachen, analysieren und filtern. Von den Bewegungsabläufen lässt sich schliesslich auf eine Reihe innerer Eigenschaften von Lawinen schliessen. Dazu gehört etwa jenes Phänomen, das der BFW-Forscher inverse Segregation nennt. Der Begriff verweist auf die Bildung von Schneepartikeln oder -klumpen in verschiedenen Grössen, wobei sich die grösseren Teile mit der Bewegung tendenziell nach oben sortieren – ein Phänomen, das auch von den erwähnten Lawinenairbags genutzt wird. Doch das ist kein einfacher linearer Zusammenhang.

«Die tatsächliche Bewegung der Schneegebilde innerhalb der Lawine hängt von vielen Faktoren ab. Dazu gehört nicht nur die Grösse der Teile, sondern etwa auch ihre Dichte und ihre genaue Form», erklärt Fischer. «Wir wollen herausfinden, in welcher Weise diese Eigenschaften das Fliessen der Schneepartikel in der Lawine beeinflussen und bestimmen.» Mit dieser Untersuchung baut man unter anderem auf Laborexperimenten auf, in denen bereits sehr gut gezeigt werden konnte, wie die Formen und Grössen der kompakten Schneeteile innerhalb der Lawinen überhaupt entstehen. Die Erkenntnisse über das Innenleben der Lawinen, die die Forschenden in ihrem Projekt schaffen, werden schliesslich auch Teil eines neuen Simulationswerkzeuges, das für die Wissenschaftscommunity frei verfügbar sein wird. Dieses Tool soll dann auch die Entstehung und Bewegung der Partikel mit hoher Genauigkeit abbilden können.

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