Bodemonderzoek Einstein Telescoop gaat nieuwe fase in: “Dit is een zeer complexe puzzel”

Bodemonderzoek Einstein Telescoop gaat nieuwe fase in: “Dit is een zeer complexe puzzel”

Hoe geschikt is de Limburgse bodem voor de bouw van een gigantische detector?

07-06-2023 · Achtergrond

Komt het miljardenproject Einstein Telescoop naar Limburg? Over ongeveer twee jaar valt het besluit. Een belangrijke vraag daarbij: hoe geschikt is de bodem eigenlijk voor de bouw van een kilometerslange, ondergrondse detector? Een grootschalige studie moet duidelijkheid bieden. “Dit is een zeer complexe puzzel.”

“Alsof je net een rolletje mentos in een fles cola hebt gegooid”, zegt geoloog Bjorn Vink, wijzend naar een metershoge boorinstallatie die onder hoge druk gesteente uit de grond omhoog spuit. Sinds eind mei staat het gevaarte hier, in een weiland naast het Waalse dorpje Aubel, een paar kilometer van de Nederlandse grens. Het doel: een ‘hap’ uit de bodem nemen, om te achterhalen hoe die er op grote diepte uitziet. De teller staat inmiddels op tien meter, maar uiteindelijk moet de boor tot minstens 250 meter diepte reiken. Met een diameter van nog geen veertig centimeter vormt het gat slechts een speldenprikje in het landschap.

De boring trapt een nieuwe fase af in het bodemonderzoek van E-TEST, een project waarin Nederland, België en Duitsland samenwerken om de mogelijke komst van de Einstein Telescoop naar het grensgebied voor te bereiden. Dit enkele miljarden kostende observatorium voor minieme trillingen in de ruimtetijd, zogeheten zwaartekrachtsgolven, moet een nieuwe blik op het universum gaan werpen.

Eind 2025 of 2026 valt de beslissing of de ondergrondse detector hier gebouwd gaat worden, of dat concurrent Sardinië aan het langste eind trekt. Beide locaties schermen met een gunstige geologie: een ‘stille’, trillingsarme bodem, waarin de gevoelige apparatuur ongestoord zijn werk kan doen. Het Zuid-Limburgse Heuvelland dankt dit aan een combinatie van een zachte bovenlaag – de mergel – met een harde, rotsachtige ondergrond, wat samen voor een demping van de bovengrondse ruis zorgt.

Maar hoe geschikt deze bodem is voor de bouw van een gigantisch tunnelstelsel, voor een driehoekige detector met zijden van tien kilometer, op twee- tot driehonderd meter diepte? En op welke plek dat dan precies moet gebeuren? Niemand nog die het zeker weet. “Het is een gebied dat niet of nauwelijks onderzocht is”, vertelt Vink, die namens wetenschappelijk instituut Nikhef voor het aan de Universiteit Maastricht gevestigde projectbureau van de Einstein Telescoop werkt en betrokken is bij E-TEST. Aan de randen is er door mijnbouw in het verleden wel de nodige kennis over de bodem vergaard, maar het zoekgebied zelf – ruwweg de driehoek tussen Aken, Luik en Maastricht – is vooralsnog een blinde vlek.

Tropische zee

Vooruit, een aantal eerdere onderzoeken, waaronder boringen bij de dorpen Banholt en Epen, hebben de afgelopen paar jaar wel voor wát inzicht gezorgd. “Maar uiteindelijk ging dat vooral om het testen van de techniek. Nu zijn we klaar om erachter te komen hoe het écht zit.” Tempo maken is geen overbodige luxe, want het bidbook - en dus een concreet idee van wat er mogelijk is in dit gebied - moet over zo’n twee tot drie jaar op tafel liggen.

Grondboringen, zoals hier in Aubel, vormen daarbij een belangrijk onderdeel. De huidige boring is nog in opdracht van de Universiteit Luik, maar onder leiding van het projectbureau ET verschijnen er de komende tijd “in eerste instantie tien, maar waarschijnlijk nog veel meer” van zulke honderden meters diepe boorgaten op verschillende plekken in de regio. “Uiteraard gepaard met de benodigde vergunningen en communicatie met de omgeving”, haast Vink zich erbij te zeggen. Met ieder ‘speldenprikje’ wordt de lokale situatie duidelijk, en de ondergrondse kaart van het gebied steeds verder ingevuld.

(Tekst gaat verder onder de foto)

Boorinstallatie in Aubel

“Al is dit wel een uitzonderlijk groot gat, omdat hier nog speciale meetapparatuur naar beneden gaat”, zegt Vink boven het geluid van de machines uit. De andere boorgaten zullen veel smaller worden, nog geen tien centimeter in doorsnee. “Zoals die daar”, wijst Vink naar een gat enkele meters verderop, dat vorige week is geboord en inmiddels afgedekt met een afgesloten koker (“voor de veiligheid van de paarden die na afloop van het onderzoek weer terugkeren in deze weide”).

Daar stuitte men al meteen op een verrassing: op 27 meter diepte bleek een laag hardsteen te zitten. “Het materiaal waar de beroemde blauwgrijze vensterbankjes, maar bijvoorbeeld ook delen van de Sint Servaasbrug, van zijn gemaakt. Dat is een hele oude grondlaag, zo’n 340 miljoen jaar geleden gevormd, toen dit gebied zich rond de evenaar bevond. Op deze plek was er een ondiepe zee, aangezien dit type gesteente ontstaat door afzettingen op de bodem van zulke wateren, die barstten van het leven.” Bij eerdere boringen een paar kilometer verderop trof men geen hardsteen aan. “En ik verwacht dat je ‘m ook niet terugvindt onder die heuvel honderd meter verderop. Op die plekken was er toen waarschijnlijk een eiland of een klif. Bovendien lijkt deze laag een stukje verderop weer dieper de grond in te duiken.”

Botsende auto’s

Het illustreert waarom de studie zo uitdagend is. Niet alleen is de bodem hier een lappendeken van verschillende grondlagen – ieder met zijn eigen eigenschappen zoals samenstelling en stevigheid – maar deze varieert ook nog eens sterk van locatie tot locatie. Een kreukelzone, zo beschrijft Vink het, alsof België en Nederland twee auto’s zijn die tegen elkaar zijn gereden. “Door de botsing tussen het Afrikaanse en Europese continent schuift dit gebied langzaam in elkaar, een proces dat al vele miljoenen jaren duurt. Stukken grond worden hierbij constant omhoog en omlaag geduwd. Oudere gesteentes schuiven over jongere heen en andersom. Grondlagen die ooit recht waren, golven nu chaotisch door de bodem. Op sommige plekken ontbreken ze zelfs helemaal.”

En laat nu niet iedere grondlaag geschikt zijn voor het huisvesten van de Einstein Telescoop. “Uiteindelijk zijn we op zoek naar bepaalde types hard gesteente. Het kost meer moeite om hierin te boren, maar het is wel erg stevig. Er is geen extra ondersteuning nodig. Vooral voor de drie hoekpunten, waarvoor grote zalen uitgegraven gaan worden, is dat belangrijk. De uitdaging is om drie locaties te vinden waar deze ‘goede’ grondlagen op dezelfde diepte van rond de 250 meter liggen, en dan ook nog eens allemaal op ongeveer tien kilometer van elkaar, zodat de tunnels voor de zijden van de driehoek er precies tussen passen. Een complexe puzzel.”

Scheuren en grotten

Om die nog wat ingewikkelder te maken: er stroomt ook overal grondwater. “Op sommige plekken komen die stroompjes omhoog als bronnen in het landschap, maar ze kunnen ook heel diep zitten. Bovendien zijn ze vaak met elkaar verbonden tussen verschillende grondlagen. Dat wil je allemaal in kaart hebben. Net als scheuren en grotten, die vaak voorkomen in de overgangsgebieden tussen grondlagen, door botsingen en verwering in het verleden. Tijdens het boren van tunnels en zalen kom je die liefst zo weinig mogelijk tegen. Water wegpompen en scheuren verstevigen of opvullen is duur en arbeidsintensief.”

(Tekst gaat verder onder de foto)

Zo moet Einstein Telescoop uit gaan zien: een driehoek met zijden van tien kilometer op ruwweg 250 meter diepte. Afbeelding: T. Balder/Nikhef

Uiteindelijk moeten al deze zaken samenkomen in een groot 3D-model van de bodem, waarmee de tunnelontwerpers de puzzel kunnen gaan leggen. Vink: “Als je alle ‘speldenprikken’ samenvoegt, kun je simuleren hoe dit gebied de afgelopen honderden miljoenen jaren heeft ‘gedanst’, en inschatten hoe de bodem er op andere plekken uitziet.”

Drones

Deze info wordt aangevuld door een trits ‘gereedschap’ dat zijn werk bovengronds uitvoert. Waaronder ‘vibrotrucks’: voertuigen die met een trilplaat de bodem kort laten schudden. Ieder grondlaag weerkaatst deze trillingen op haar eigen manier, waardoor sensoren aan het oppervlak indirect de samenstelling van de bodem kunnen achterhalen. Vorig jaar trok er al een colonne van deze wagens door het Heuvelland, binnenkort gaan er “zuinigere, kleinere en nauwkeurigere” versies op pad, aldus Vink. Ook wordt erover nagedacht om drones in te zetten. “Deze hangen boven het land om de reactie van mineralen in de bodem op een elektromagnetisch veld te meten. Daaruit kun je de concentraties van deze mineralen, en daarmee het type gesteente, afleiden.”

Toch zijn met een 3D-model van de bodem nog niet alle puzzelstukjes verzameld. “Ook bronnen van ‘ruis’ worden in kaart gebracht, met trilsensoren op de bodems van de boorgaten. Denk aan trillingen veroorzaakt door windmolens of autowegen, maar bijvoorbeeld ook door een bos bij harde wind. En door aardbevingen: in dit gebied kunnen minimale bewegingen langs een breuklijn voorkomen. Het is niet onoverkomelijk als je tunnel net door of in de buurt van zo’n breuklijn zit, maar dat vergt wel meer onderhoud en reparaties.”

Grond afvoeren

En dan is er nog de bovengrondse logistiek. “Tijdens de bouw worden er gigantische hoeveelheden aarde – denk aan een paar miljoen kuub – omhoog gehaald. Dat zal bij één of meerdere hoekpunten naar buiten gaan. Daar denken we ook alvast over na. Kun je dit hier efficiënt afvoeren, bijvoorbeeld door de aanwezigheid van een treinspoor in de buurt, of eventueel ter plekke verwerken, zonder al te veel overlast voor de omgeving en vervuiling van het landschap?”

Puzzelen voor gevorderden dus. Wat als de bodem toch grilliger lijkt dan gehoopt? Gaat het hele feest dan niet door? “Nee, technisch gezien zul je de detector vrijwel altijd kunnen bouwen. Maar in tegenvallende grondlagen is dat wel veel duurder. In dat geval kun je je afvragen: is dat het waard? De geologie is immers het meest bepalend voor de totale kosten van het project.” Maar zover is het nog niet. Eerst moet er nog een heel vat aan kennis aangeboord worden.

(Tekst gaat verder onder video)

 

Beelden van de vorige, voorbereidende fase van het bodemonderzoek van E-TEST. Video: Bjorn Vink/Youtube

“Je weet nooit wat je ontdekt”

Wat als Limburg de Einstein Telescoop niet binnenhaalt? Is de hele bodemstudie dan voor niks geweest? Nee, absoluut niet, zegt Vink. Het bodemonderzoek levert ook de nodige ‘bijvangst’ op. “Gescheurde rotsen en ondergrondse waterstromen zijn voor ons vervelend, maar voor anderen juist interessant.” Denk bijvoorbeeld aan de winning van drinkwater, of het gebruiken van de warmte van dit water als duurzame energiebron – zogeheten geothermie. In tijden van schaarste en klimaatverandering niet onaantrekkelijk. “De benodigde gesteentes en technieken zijn hier relatief makkelijk en goedkoop te testen. Elders in het land liggen deze grondlagen op kilometers diepte. Dan wil je zeker weten of het werkt, voordat je daar gaat boren.”

En ook projecten rondom natuurbehoud kunnen profiteren, zegt Vink. Zo is kennis over mineralen en verontreinigingen in de bodem en bronwater nuttig bij het beschermen van bepaalde kwetsbare plantensoorten. “Plus, zoals altijd met dit soort grote projecten, kan deze studie nieuwe en innovatieve technieken of meetapparatuur opleveren, bijvoorbeeld op het gebied van tunnelbouw. Je weet nooit wat je ontdekt.”

Maar ook fundamenteel is het heel interessant, besluit Vink enthousiast. “Wat het gebied complex maakt, maakt het ook zo fascinerend. De bodem is een soort speelfilm van de historie van dit gebied.” De eerste geologische ontdekkingen vonden al plaats. “In de buurt van Epen troffen we het oudste gesteente aan dat in Nederland aan het maaiveld komt. Met 328 miljoen jaar bleek dat bijna vier miljoen jaar ouder dan het vorige record.” En passant raapte Vink direct een fossiel van een plantje op, het oudste met de hand ontdekte fossiel in Nederland.

Foto's: Observant

Tags: einsteintelescoop,et,bodemonderzoek,boringen,geologie,zwaartekrachtsgolven,onderzoek,wetenschap

Reacties

A.Zwigt

Interested in this subject

Voeg reactie toe

Klik hier voor onze privacyregels

Vanaf januari 2022 plaatst Observant alleen nog reacties van mensen wier naam bekend is bij de redactie.