Je leest:

Diep in de Nederlandse bodem zoeken naar zwarte gaten

Diep in de Nederlandse bodem zoeken naar zwarte gaten

360 miljoen jaar oud Devoongesteente is het ideale bed voor de Einstein Telescope

Auteur: | 6 mei 2022

De Nederlandse overheid reserveert 912 miljoen euro voor de Einstein Telescope, een astronomisch observatorium voor zwaartekrachtgolven. Met proefboringen prikken wetenschappers in de Zuid-Limburgse bodem om te zien waar het immense ondergrondse laboratorium past.

NEMO Kennislink bezocht ook de ‘zwarte doos’ in Maastricht, het laboratorium waarin onderzoekers alvast een miniatuurversie van de Einstein Telescope bouwen. Ze testen er lasers, spiegels, vacuüm- en koelingssystemen die het hart vormen van de zwaartekrachtgolfdetector.

Het is een zeiknatte zomerdag als ik op de poort van de abdij in het Belgische Val Dieu afstap. Daaronder wachten een tunnelbouwer en een natuurkundige die me meteen laten zien waarom we uitgerekend hier hebben afgesproken. Ze wijzen op de oranjebruine zandstenen waaruit het gebouw in 1625 werd opgetrokken. Het materiaal is volgens de kenners zeker 360 miljoen jaar oud en werd gevormd in een tijdperk dat we nu het devoon noemen. Het harde gesteente is uitstekend bouwmateriaal voor een klooster, maar ook voor een van de grootste ondergrondse bouwwerken ter wereld: het toekomstige huis van de Einstein Telescope.

Abdijpoort in het Belgische Val Dieu.
Roel van der Heijden voor NEMO Kennislink

Het klooster verbleekt bij de proporties van het geplande gebouw van de Einstein Telescope. Dat zal bestaan uit ten minste drie ‘zalen’ van het formaat kerk, die onderling zijn verbonden met tien kilometer lange tunnels. Samen vormen ze een ondergrondse driehoek op een diepte van twee- tot driehonderd meter. In de driehoek staat een laseropstelling die op zoek gaat naar welhaast onmeetbare trillingen in de ruimtetijd die Albert Einstein ruim honderd jaar geleden voorspelde. Einstein stelde dat de ruimte deint als een soort vijveroppervlak. Gewelddadige gebeurtenissen zoals botsende zwarte gaten beroeren de kosmische vijver als de plons van een zware steen. De zwaartekrachtgolven die dit veroorzaakt zijn voor ons volstrekt onmerkbaar, maar de Einstein Telescope pikt ze op en stelt wetenschappers in staat om op een volledig nieuwe manier te onderzoeken hoe zwarte gaten hun omgeving beïnvloeden. Het observatorium is de opvolger van de detectoren LIGO (in de VS) en Virgo (in Italië) die in 2015 voor het eerst zwaartekrachtgolven vastlegden.

Dit observatorium mag best een huzarenstukje bouw- en meettechniek heten, en het realiseren ervan heeft veel voeten in de aarde. Om kans te hebben om te slagen, is een enthousiaste gemeenschap van onderzoekers nodig, veel geld en een stabiele en trillingsvrije ondergrond. In Zuid-Limburg en België lijken deze factoren nu samen te komen. Universiteiten in België en Nederland trekken onderzoekers aan die dikke rapporten schrijven om de buitenwereld te overtuigen dat de Einstein Telescope hier thuishoort. De Nederlandse overheid ging in april overstag met een voorlopige investering van 42 miljoen, voor de lange termijn reserveren ze maar liefst 870 miljoen euro.

Nu de ondergrond nog. Deze líjkt geschikt, maar de officiële kaarten van de ondergrond zijn oud en blijken niet accuraat. Wetenschappers van het Einstein Telescope-team boren inmiddels op verschillende plekken in Zuid-Limburg op zoek naar de plek waar het observatorium over een jaar of tien op zoek kan gaan naar zwarte gaten in het diepe heelal.

Hard en ondiep

Even na onze ontmoeting bij de abdij sta ik met Nick Van Remortel en Bjorn Vink in de stromende regen. Van Remortel is hoogleraar natuurkunde van de Universiteit Antwerpen, Vink is tunnelbouwer en geohydroloog van ingenieursbureau Antea Group. Met z’n drieën kijken we naar een pakweg vijftien meter hoge rotswand van devoongesteente. De kleur komt overeen met die van de abdij. “Kom niet te dichtbij”, waarschuwt Vink als ik me door het natte struikgewas naar de wand probeer te manoeuvreren. Hij heeft ervaring met dit soort wanden. “Soms komen er stenen los.”

Dit is een van de weinige plekken in de regio waar het devoon aan het oppervlak komt, in de wand zitten enkele ronde gaten van eerdere proefboringen. Achter ons buldert het normaal gesproken rustige riviertje Berwijn, die inmiddels ver buiten zijn oevers begint te treden. Het natuurgeweld van vandaag is een mooi voorbeeld van een element dat het oppervlak én de bodem van de planeet vormt.

Impressie van het leven op een zeebodem in het devoon, met onder andere zogenoemde trilobieten, geleedpotigen van meer dan 30 centimeter groot. Het gebied waar België en Nederland nu liggen, lag ten zuiden van de evenaar en was kustgebied bij een ondiepe zee.

Alles op aarde laat zijn sporen na: rivieren, oceanen, het weer, planten, dieren. Ze bepalen in grote mate hoe het oppervlak van de planeet eruit ziet, of je bijvoorbeeld zand- of kleigronden hebt of een moerasgebied. Samen met bewegingen in de bodem, zoals gebergtevorming en bodemdaling, bepaalt het uiteindelijk wat er ónder het oppervlak zit. De bodem raakt na verloop van tijd namelijk bedolven onder nieuwe aardlagen en zakt over de loop van duizenden of miljoenen jaren als het ware naar beneden toe. Door toenemende druk en temperatuur versteent het materiaal.

Het devoon was een relatief warm tijdperk dat ruwweg zestig miljoen jaar duurde. Het heeft een relatief sterke gesteentelaag van enkele tientallen meters dik achtergelaten. België is hier meerdere malen tegen Nederland ‘gebotst’ en heeft zand- en kleilagen tegen elkaar geperst, zodat er onder andere hard zandgesteente ontstond, legt tunnelbouwer Vink uit. Perfect om in te bouwen. “Het is beter dan bijvoorbeeld de ondiepere carboonlaag die we aantreffen. Die is wel hard, maar heeft meer openingen”, zegt hij. “Als ik een cijfer voor de bodem hier moet geven: een dikke acht voor het bouwen van grote ondergrondse ruimtes.”

In vrijwel heel Nederland is het devoon begraven onder een kilometers dikke laag gesteente. Pas richting Zuid-Limburg kruipt de laag richting het oppervlak, om in Val Dieu (ongeveer vijf kilometer ten zuiden van de Belgisch-Nederlandse grens) boven het maaiveld uit te steken. Het Ardennenmassief drukt hier de diepere aardlagen tegen elkaar omhoog. “Toen we gingen boren bij Terziet in Limburg vonden we het devoon al op 35 meter diepte. Dat was een verrassing, want geologen dachten dat het veel dieper zou zitten, volgens officiële kaarten op wel twee kilometer”, zegt Vink. Ondiep en hard devoongesteente maakt de bouw van de Einstein Telescope hier volgens hem kansrijk. Bovenop die harde ‘bouwlaag’ ligt een zachtere toplaag van zand, kalksteen en het korrelige löss. Deze lagen bieden een natuurlijke demping voor de ondergrondse installatie die in absolute stilte opereert.

Een kaart met een doorsnede van de ondergrond die van België, via Zuid-Limburg tot in Duitsland loopt (van C linksonder naar C rechtsboven). Het geologische profiel erboven laat gesteentelagen uit verschillende tijdperken zien die per locatie sterk verschillen wat betreft de diepte. Deze doorsnede is uit de jaren 90 en is niet overal accuraat.
Geologische Dienst Nederland met toestemming

Bodemkaarten die niet kloppen

Als je wilt weten hoe de bodem er in Nederland uitziet, dan ga je naar de Geologische Dienst Nederland, een onderdeel van TNO. Deze organisatie onderzoekt de ondergrond en heeft bodemkaarten van iedere plek in het land. Maar hoewel uitgerekend Zuid-Limburg het toneel was van grootschalige mijnbouw, is er van de regio pakweg tien tot twintig kilometer ten zuidwesten van Sittard-Kerkrade bar weinig bekend over de bodem. “Er is wel even gezocht naar steenkool, olie en gas, maar dat was tevergeefs. Daarna is er – behalve voor drinkwater – lang geen aandacht meer geweest voor de ondergrond van het gebied. Soms moeten we het nog steeds doen met informatie uit honderd jaar oude boringen”, zegt Geert-Jan Vis, geoloog bij de Geologische Dienst. “Er zijn nauwelijks goede gegevens van deze regio.”

Gesteente uit het devoon dat bij een boring bij Cottessen op een diepte van zo’n 230 meter werd aangetroffen. De Geologische Dienst slaat twee vliegen in een klap: deze nieuwe boringen dienen meteen voor nieuw geologisch onderzoek van de regio.
Interreg Project E-TEST met toestemming

Om de gaten in de kennis te vullen, boren onderzoekers nu op verschillende plekken in Zuid-Limburg, bijvoorbeeld bij de dorpjes Banholt, Terziet en Cottessen. Met boorputten van soms wel 250 meter diep kijken wetenschappers welke gesteentelagen elkaar opvolgen. Ook kun je met ‘seismiek’ de bodem in kaart brengen, waarbij je trillingen in de grond creëert. Weerkaatsingen van deze trillingen in de bodem leggen bloot waar gesteentelagen in elkaar overgaan. Met deze methodes krijgen wetenschappers verschillende ‘lijnen’ door de grond, waarmee ze een profiel kunnen maken van een groot ondergronds gebied.

Er zijn wel kaarten en geologische profielen van de regio, nog uit de jaren 90. “Het probleem daarmee is dat er veel te veel ‘geofantasie’ is gebruikt om ze te tekenen, terwijl niet goed is aangegeven wat echt harde gegevens zijn en wat speculatie is”, aldus Vis. “We weten door de boringen voor de Einstein Telescope dat in het grensgebied bij Terziet en Cottessen de profielen in ieder geval onjuist zijn.”

Vier miljoen kuub grond afvoeren

Het bouwen van de Einstein Telescope is een soort driedimensionale puzzel. Ergens in het Belgisch-Nederlandse grensgebied moet op een diepte van 200 tot 300 meter een horizontale driehoek komen te liggen. De posities van de hoekpunten zijn cruciaal, want daar komen gigantische ondergrondse zalen, die bovendien op precies dezelfde hoogte in de bodem moeten liggen. Op impressies zijn nu ruimtes met afmetingen van 175 meter lang en dertig meter hoog te zien; dat is groter dan het volume van de grote zaal van Notre Dame-kathedraal in Parijs. Dit soort ‘ondergrondse kerken’ kun je alleen bouwen als het gesteente van goede kwaliteit is, langs de hele lengte van de wand. Vink: “Je wilt weinig of geen natuurlijke openingen, breuken of scheuren. Die tunnels moeten wel honderd jaar mee kunnen, het moet daarom een waterdicht gesteente zijn dat in die tijd niet meer dan een paar millimeter verschuift.”

Impressie van het ondergrondse bouwwerk dat wetenschappers voorzien in het Belgisch-Nederlandse grensgebied zo’n twee- tot driehonderd meter onder de grond.

Van Remortel schat de kosten van het project nu op 1,7 miljard euro voor de constructie, plus 200 miljoen euro voor het voorbereidende werk. De bouw van de tunnels eet een groot gedeelte van het budget op: zeker 700 miljoen euro. Als alles doorgaat dan is het volgens Vink waarschijnlijk dat er twee hoekpunten terechtkomen in het devoonmassief of ‘onder-carboon’, dat hier bovenop ligt. Het ‘bovengrondse’ devoon bij Val Dieu loopt waarschijnlijk onder de grond door tot in Nederland. De posities van de hoekpunten hangen nog af van komende onderzoeken. Van Remortel noemt Val Dieu of Voeren (dat iets noordelijker ligt) en het Nederlandse Terziet als mogelijkheden. Een derde punt komt ten noorden of zuiden van die twee punten, zoals het Limburgse Banholt, waar eerder een boring is gedaan door de Geologische Dienst.

Niet alleen de bodem van de regio is volgens de twee betrokkenen geschikt voor het project, maar ook de infrastructuur erop. Er zijn bijvoorbeeld spoorlijnen die grote tunnelbouwelementen kunnen aanvoeren en het zand en de stenen kunnen afvoeren. Van Remortel: “We moeten vier miljoen kuub grond kwijt zien te raken, dat is een kubus grond van 160 meter aan iedere zijde! Het is enorm, we bouwen hier een soort modern Stonehenge.”

Uitgelicht door de redactie

Geschiedenis
Walvisvaarders in de ontdooiende permafrost

Filosofie
‘We dragen allen verantwoordelijkheid voor de taal die we gebruiken’

Klimaatwetenschappen
Insecten op ons bord

Niet uniek

We lopen terug naar het klooster, waar koffie en – vooruit, voor sommigen – een Belgisch biertje wachten. Vink en Van Remortel spreken over de complexiteit van het project, niet alleen in technische zin. “We proberen de politiek op één lijn te krijgen, maar alleen al in Nederland zijn er verschillende gemeentes bij betrokken. In België hebben we te maken met twee overheden, de federale en die van het gewest, en het liefst krijgen we Duitsland nog mee”, aldus Van Remortel. “Overal gelden weer andere regels, bijvoorbeeld tot hoe diep iemand eigenaar van de bodem is.” Vink noemt het bouwen in natuurgebieden een mogelijk obstakel. En als de stikstofcrisis in Nederland de bouw van een rij huizen al kan blokkeren, hoe zit het dan met de bouw van een modern wereldwonder?

Het megaproject in Limburg en België is volop in beweging. Het consortium krijgt vorm, de bodem krijgt inspectie, de eerste solide financiële steun is er, en in Maastricht ontwikkelen onderzoekers de apparatuur die het hart van de Einstein Telescope vormt. Toch is het allemaal nog geen gelopen race. In Nederland mag de Zuid-Limburgse bodem uniek zijn, in Europa zijn er veel meer plekken waar stevige gesteentelagen dicht onder het oppervlak zitten. Er zijn ook kapers op de kust voor de Europese gelden die nodig zijn om de Einstein Telescope rond te krijgen, zoals een voornamelijk Italiaans initiatief dat een observatorium op het Italiaanse eiland Sardinië wil bouwen. Zo rond 2025 wordt beslist waar de volgende generatie zwaartekrachtgolfdetector komt.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 06 mei 2022

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.