Wie wurde das tiefste Loch der Erde gegraben?

Autor: Gui Youyu

Gutachter: Zhou Yingcao, Chefingenieur des PetroChina Technology Research Institute

Was ist schwieriger: den Weltraum zu erforschen oder ein Loch in den Boden zu graben? Die Antwort lautet: „Es ist schwierig, in den Himmel aufzusteigen, und es ist auch schwierig, auf die Erde hinunterzusteigen.“ Die am weitesten von Menschen in den Weltraum gestartete Sonde hat das Sonnensystem verlassen und ist mehr als 20 Milliarden Kilometer von uns entfernt. Das tiefste von Menschenhand gegrabene Loch auf der Erde ist weniger als 13 Kilometer tief. Der Durchmesser der Erde, auf der die Menschen leben, beträgt 12.742 Kilometer. Die höchste Temperatur im Erdinneren beträgt über 6.000 °C. Die durchschnittliche Dicke der Erdkruste beträgt 17 Kilometer. Der tiefste Brunnen der Welt hat nur ein Tausendstel des Erddurchmessers. Vergleicht man die Erde mit einem Apfel, hat noch nie jemand die Schale dieses Apfels durchgebissen.

Schematische Darstellung der Erdkruste

Warum ist es so schwer, ein Loch zu graben? Tiere können Löcher graben, ohne Werkzeuge zu verwenden. Wir Menschen haben so viele Bagger, Brunnenbohrer und Bohranlagen. Warum können wir nicht bis zum Mittelpunkt der Erde graben? Tatsächlich kann das Bohren eines Lochs in die Erde schwieriger sein, als Sie denken.

Intelligentes Bohrschema

Wie entsteht ein Loch? Wir sehen in unserem Leben alle möglichen Löcher: Beim Malerarbeiten müssen Handwerker mit einer elektrischen Bohrmaschine Löcher in die Wand bohren; wenn Sie Perlen zu einer Kette auffädeln möchten, müssen Sie zunächst ein Loch in die Perlen bohren; und natürlich wird auch das Grundwasser, das die Menschen heute nutzen, durch das Bohren eines Lochs in den Boden gewonnen. Unabhängig von der Größe oder Tiefe dieser Löcher ist das Grundprinzip beim Graben dasselbe: Nehmen Sie einen harten Bohrer und drehen Sie ihn kontinuierlich, wodurch er das umgebende Material in Stücke schneidet und ein Loch von der Größe seines eigenen Durchmessers bohrt.

Mit anderen Worten: Ursprünglich sollte das Bohren eines Lochs durch senkrecht nach unten gerichtete Krafteinwirkung erfolgen, doch die Menschen nutzten ihre Weisheit und änderten dies in eine kreisförmige Drehung des Bohrers. Viele scheinbar unmögliche Aufgaben im Leben werden auf diese Weise gelöst. Wenn Sie beispielsweise einen fünf Zentimeter langen Nagel mit bloßen Händen in Holz drücken möchten, gelingt Ihnen das trotz aller Bemühungen nicht. Wenn Sie jedoch einen spiralförmigen Weinöffner verwenden und ihn ohne zu viel Kraft drehen, kann es gelingen. Vom Grundprinzip her besteht kein großer Unterschied zwischen dem Bohren eines Lochs in die Erde und dem Einschrauben eines Weinöffners in einen Korken.

Andererseits ist es einfach, ein Loch von einem Meter zu graben, aber es ist äußerst schwierig, ein Loch von zehntausend Metern zu graben. Das tiefste Loch der Welt befindet sich derzeit im nordwestlichen Zipfel Russlands, in der Nähe von Norwegen. Es heißt Kola Superdeep Borehole und hat eine vertikale Tiefe von 12.262 Metern.

Was ist die Schwierigkeit beim Bohren eines solchen Lochs?

Erstens ist es lang. Um einen 10.000 Meter langen Brunnen zu bohren, benötigen Sie ein 10.000 Meter langes Bohrgestänge. Selbst wenn eine so lange Bohrstange hergestellt werden könnte, wer könnte sie aufrecht in die Luft halten? Die Wissenschaftler haben eine Lösung gefunden: Sie stellen die Bohrstangen Stück für Stück her, graben zuerst die Länge einer Bohrstange aus, schließen dann eine neue Bohrstange an und verlängern die Länge beim Graben, bis der gesamte Brunnen gebohrt ist.

Das zweite Problem besteht darin, dass das Grundwasser und die Steine ​​versuchen, das gerade gebohrte Loch zusammenzudrücken, je tiefer das Loch wird. Dies liegt daran, dass unter der Erde ständig Druck herrscht und dieser umso größer wird, je tiefer man vordringt. Obwohl die Felsen an den Höhlenwänden hart sind, werden sie unter dem enormen Druck im Untergrund wie Tofu zerdrückt. Wissenschaftler haben zwei Möglichkeiten, dieses Problem zu lösen: Die eine besteht darin, einen Kreis aus Stahlrohren und Zement um die Höhlenwand anzubringen, um sie stabiler zu machen; die andere besteht darin, während des Bohrens kontinuierlich Schlamm hineinzuschütten, sodass der Brunnen auch unter Druck steht und mit dem Gestein im Untergrund konkurrieren kann.

Allerdings bringt die Verstärkung der Höhlenwand mit Stahlrohren und Zement ein drittes Problem mit sich: Da jedes neue Stahlrohrpaket nur durch die Mitte eines bereits in der Höhle vorhandenen Stahlrohrpakets verlaufen kann, wird die Höhle immer dünner. Das bedeutet, dass wir nicht endlos Löcher bohren können. Der Durchmesser des Kola-Supertiefbohrlochs beträgt über dem Boden fast einen Meter, am Boden des Brunnens beträgt der Durchmesser jedoch weniger als die Länge eines Fußes. Wenn also jemand das Pech hat, in das tiefste Loch der Erde zu fallen, kann er nur im oberen Teil des Lochs stecken bleiben und hat keine Möglichkeit, auf den Grund des Lochs zu fallen.

Natürlich beschränken sich die Schwierigkeiten beim Graben eines so tiefen Lochs nicht auf die oben genannten, sondern umfassen hauptsächlich die folgenden Punkte: Erstens sind die geologischen Bedingungen ultratiefer Brunnen komplex, die Grabungszeit ist lang, die Effizienz ist gering und die Sicherheitsrisiken bei der Produktion sind hoch. Zweitens herrschen in ultratiefen Brunnen im Allgemeinen ultrahohe Temperaturen von bis zu 260 °C und ultrahohe Drücke von bis zu 170 MPa. Die in den Höhlen verwendeten Instrumente und Werkzeuge, der Schlamm, der Zementschlamm und die Materialien sind daher großen Herausforderungen ausgesetzt. Drittens ist das Formationsdrucksystem komplex und es besteht die Gefahr komplexer Unfälle wie Ausbrüche, Leckagen, Bohrlocheinstürze und das Feststecken des Bohrers. Viertens ist das Formationsgestein hart und schwer zu bohren, die Bohrgeschwindigkeit ist niedrig und der Zyklus lang. Fünftens sind die Schichten reich an stark säurehaltigen Flüssigkeiten wie Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid, die zu schwerer Korrosion an Stahlrohren und Zement führen.

Das Kola-Supertiefbohrloch überwand alle oben genannten Schwierigkeiten, aber es dauerte trotzdem 14 Jahre. Einer groben Berechnung zufolge wurden an einem Tag nur mehr als zwei Meter getroffen! Denn es kommt immer wieder zu Unfällen aller Größenordnungen, wie etwa dem Brechen der Bohrstange, dem Hängenbleiben im Kies oder der Verstopfung des Bohrlochs durch Zement. Bei jedem solchen Unfall muss der gesamte Bohrer auf den Boden gehoben und neu zusammengesetzt werden. Wenn ein Unfall so schwerwiegend ist, dass eine erneute Montage nicht mehr möglich ist, kann nur neben dem ursprünglichen Loch ein neues Loch gebohrt werden. Bis zum Schluss erreichten die Wissenschaftler nicht die geplante Tiefe von über 15 Kilometern, sondern mussten ihre Arbeiten bereits bei etwas über 12 Kilometern einstellen.

Können wir weiterkämpfen? Es ist nicht unmöglich, aber das größte Hindernis ist, dass es zu teuer ist. Im Jahr 2010 schätzten Wissenschaftler, dass die weiteren Grabungen am tiefsten Loch der Erde mindestens mehrere Milliarden Rubel kosten würden.

Obwohl das Kola-Supertiefbohrloch seinen Betrieb eingestellt hat, wird die menschliche Erforschung der Erde nicht aufhören. Wissenschaftler haben bereits geplant, ein neues Loch in den Meeresboden zu bohren, wo die Kruste viel dünner ist als an Land, und ein Bohren von nur sechs Kilometern Länge erforderlich ist. Bis dahin wird das Verständnis der Menschheit für die Erde voraussichtlich einen großen Schritt nach vorne gemacht haben.