Two years of moisture monitoring using microwave sensors in the medieval cave town of Uplistsikhe, Georgia

Tief im Inneren des Gesteins, verborgen vor dem Auge, wird ein stiller Kampf gegen die Zeit geführt. Dies ist die Geschichte der Gesteinsfeuchtigkeit, einer leisen, aber mächtigen Kraft, die das Schicksal alter Strukturen formt. Wasser ist nicht bloß eine Flüssigkeit, die auf einer Oberfläche ruht; es ist ein dynamischer Akteur, der in die winzigen Poren des Steins sickert, sich mit Änderungen der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit ausdehnt und zusammenzieht. Wenn diese Feuchtigkeit in den Fels ein- und auswandert, löst sie chemische Reaktionen und physikalische Spannungen aus, die dazu führen, dass der Stein abblättert, zerbröckelt und schließlich zerfällt. Für das kulturelle Erbe der Welt, von mittelalterlichen Burgen bis hin zu antiken Höhlenstädten, ist das Verständnis darüber, woher dieses Wasser kommt und wie es sich bewegt, der Schlüssel zur Rettung dieser unersetzlichen Schätze. Ohne die Quelle der Nässe zu kennen, ist jeder Versuch, eine Stätte zu bewahren, oft nur ein Ratespiel, und eine falsche Vermutung kann manchmal mehr Schaden als Nutzen anrichten.

Im Herzen Georgiens steht die mittelalterliche Höhlestadt Uplistsikhe als ein dramatisches Beispiel für diesen Kampf. Direkt in eine massive Klippe aus weichem, gelblichem Sandstein gehauen, war die Stadt während des Hochmittelalters ein blühendes Zentrum, bevor sie vor Jahrhunderten verlassen wurde. Heute leiden ihre Kammern und Korridore unter demselben Verfall, der Steine überall plagt: Oberflächen blättern in dünnen Schichten ab, und das Gestein verwandelt sich in ein körniges Pulver. Wissenschaftler vermuteten schon lange, dass die Ursache die schwankende Luftfeuchtigkeit innerhalb des Steins ist, aber die genauen Wege, die das Wasser nimmt, um das Innere dieser tiefen Höhlen zu erreichen, blieben ein Mysterium. Um dies zu lösen, beschloss ein Team von Forschern aus Deutschland, Österreich und Georgien, dem Stein selbst zuzuhören. Sie installierten ein Netzwerk spezialisierter Sensoren in zwei der bedeutendsten Höhlen der Stadt, der Großen Halle und der Langen Halle, um die Feuchtigkeitswerte über zwei volle Jahre hinweg kontinuierlich zu überwachen.

Die Technologie, die sie verwendeten, war eine Form der Mikrowellensensorik – eine Methode, die dadurch funktioniert, dass sie einen Energieimpuls in den Stein sendet und misst, wie viel davon zurückgeworfen wird. Da Wasser Energie anders speichert als trockener Stein, können die Sensoren genau erkennen, wie viel Feuchtigkeit vorhanden ist, ohne zu bohren oder die antiken Wände zu beschädigen. Das Team platzierte insgesamt acht dieser Sensoren, einige nahe dem Boden und andere nahe der Decke, wobei einige tief in den Höhlen und andere direkt außerhalb positioniert waren. Um sicherzustellen, dass die Messwerte korrekt waren, nahmen die Forscher zunächst große Blöcke desselben Sandsteintyps, der am Fundort gefunden wurde, mit in ein Labor. Dort trockneten sie die Steine vollständig und tränkten sie anschließend in Wasser, um die Sensoren zu kalibrieren, damit diese ihre elektronischen Signale in präzise Messwerte des Wassergehalts übersetzen konnten. Sie mussten auch berücksichtigen, dass Temperaturänderungen die Sensoren täuschen können, wessoeben entwickelten sie eine Methode, um die Daten basierend auf der Hitze oder Kälte des Gesteins anzupassen.

Soblich die Ausrüstung in Betrieb war, begannen die Sensoren, ein komplexes und überraschendes Bild des Lebens im Inneren des Steins zu zeichnen. Die Daten zeigten einen klaren saisonalen Rhythmus: Der Stein war im Allgemeinen während der Sommermonate feuchter und im Winter trockener. Dies war kontraintuitiv für einige, da man erwarten könnte, dass der Stein in den regenreichsten Jahreszeiten am nassesten ist, doch die Sommerhitze schien die Feuchtigkeit aus der Luft in den Stein zu treiben oder vielleicht Wasser aus dem Boden nach oben zu ziehen. Die Forscher fanden heraus, dass der Stein auf verschiedene Wetterereignisse auf unterschiedliche Weise reagierte. Wenn schwerer Regen fiel, reagierten die Sensoren an den exponierten Außenwänden der Langen Halle sofort; ihre Feuchtigkeitswerte stiegen sprunghaft an, sobald der Regen auf die Oberfläche traf. Die Sensoren tief in der Großen Halle reagierten jedoch nicht unmittelbar. Stattdessen zeigten sie eine verzögerte Reaktion und benötigten manchmal mehrere Tage, um nach einem Sturm einen Anstieg der Feuchtigkeit zu verzeichnen. Diese Verzögerung deutte darauf an, dass das Wasser nicht nur auf der Oberfläche lag, sondern langsam durch das Gestein von oben einsickerte und durch die Decke der Höhle wanderte, bevor es schließlich die Sensoren erreichte.

Die Studie deckte auch auf, dass das Wasser über mehrere verschiedene Kanäle eintraf, nicht nur über einen einzigen. In einigen Fällen schien die Feuchtigkeit durch Kondensation verursacht zu werden, bei der Wasserdampf aus der Luft auf den kühleren Gesteinsoberflächen kondensierte. In anderen Fällen, insbesondere in der Nähe des Bodens der Großen Halle, stiegen die Feuchtigkeitswerte in einer Weise an, die darauf hindeutete, dass Wasser aus dem Boden nach oben gezogen wurde – ein Prozess, der als Kapillaraufstieg bekannt ist und wahrscheinlich ausgelöst wurde, wenn der Grundwasserspiegel im umliegenden Hang nach starken Regenfällen anstieg. Die Forscher beobachteten, dass der Stein kein statisches Objekt war, sondern ein lebendiges System, das atmete, indem es während feuchter Perioden Wasser aufnahm und während trockener Perioden wieder abgab. Dieser tägliche Zyklus von Befeuchtung und Austrocknung, den das Team als eine Art „evaporative Pumpe“ bezeichnete, wurde dadurch angetrieben, dass die Sonne die Oberfläche tagsüber erwärmte und das Gestein nachts abkühlte.

Vielleicht die wichtigste Erkenntnis war, dass es keine einzelne Lösung für die Bewahrung der Stätte gibt. Da das Wasser die Große Halle und die Lange Halle über unterschiedliche Wege erreicht – teils aus dem Himmel, teils aus dem Boden und teils aus der Luft – wird das, was für eine Höhle funktioniert, für eine andere möglicherweise nicht geeignet sein. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass der Versuch, die Höhlen mit wasserdichten Beschichtungen zu versiegeln, wahrscheinlich ein Fehler wäre, da dies die Feuchtigkeit im Inneren einschließen und den Verfall beschleunigen würde. Stattdessen ist der beste Ansatz, das Wasser dort zu kontrollieren, wo es eintritt, etwa indem man Regenwasser von den Höhleneingängen wegleitet oder den Grundwasserspiegel im Hang senkt, um den Aufwärtszug der Feuchtigkeit zu verringern. Die zweijährige Überwachung bot einen seltenen, detaillierten Einblick in die verborgene Hydrologie einer antiken Stätte und bewies, dass man, um den Stein zu retten, zuerst das unsichtbare Wasser verstehen muss, das in ihm wandert.