Chemiker der Universität Stanford haben eine praktische und kostengünstige Methode entwickelt, um Kohlendioxid, den Hauptverursacher der globalen Erwärmung und des Klimawandels, dauerhaft aus der Atmosphäre zu entfernen. Das neue Verfahren nutzt Wärme, um gewöhnliche Mineralien in Materialien umzuwandeln, die spontan Kohlenstoff aus der Atmosphäre ziehen und ihn dauerhaft binden. Diese reaktiven Materialien können in herkömmlichen Brennöfen hergestellt werden, wie sie beispielsweise für die Zementherstellung verwendet werden.
„Die Erde verfügt über einen unerschöpflichen Vorrat an Mineralien, die in der Lage sind, CO2 aus der Atmosphäre zu entfernen, aber sie reagieren einfach nicht schnell genug, um den menschlichen Treibhausgasemissionen entgegenzuwirken“, so Matthew Kanan, Chemieprofessor an der Stanford School of Humanities and Sciences und Hauptautor der Arbeit. „Unsere Arbeit löst dieses Problem auf eine Art und Weise, von der wir glauben, dass sie einzigartig skalierbar ist.“
Verstärkte Verwitterung
In der Natur reagieren häufig vorkommende Mineralien, so genannte Silikate, mit Wasser und atmosphärischem CO2 zu stabilen Bicarbonationen und festen Carbonatmineralien – ein Prozess, der als Verwitterung bekannt ist. Diese Reaktion kann jedoch Hunderte bis Tausende von Jahren dauern, bis sie abgeschlossen ist. Seit den 1990er Jahren suchen Wissenschaftler nach Wegen, um Gesteine durch verbesserte Verwitterungstechniken zu veranlassen, Kohlendioxid schneller zu absorbieren.
Kanan und der Stanford-Postdoktorand Yuxuan Chen haben in ihrem Labor ein neues Verfahren entwickelt und demonstriert, mit dem sich langsam verwitternde Silikate in wesentlich reaktivere Mineralien umwandeln lassen, die atmosphärischen Kohlenstoff schnell aufnehmen und speichern. Ein Stipendium des Sustainability Accelerator an der Stanford Doerr School of Sustainability unterstützt nun die Bemühungen, die Forschungsergebnisse in praktische Anwendungen umzusetzen.
„Wir haben uns eine neue Chemie ausgedacht, um die inerten Silikatminerale durch eine einfache Ionenaustauschreaktion zu aktivieren“, so Chen, Hauptautor der Studie. „Wir hatten nicht erwartet, dass es so gut funktionieren würde, wie es funktioniert.“
Viele Experten sind der Meinung, dass zur Verhinderung einer weiteren globalen Erwärmung sowohl die Nutzung fossiler Brennstoffe eingeschränkt als auch Milliarden Tonnen CO2 dauerhaft aus der Atmosphäre entfernt werden müssen. Technologien zur Kohlenstoffentfernung sind jedoch nach wie vor kostspielig, energieintensiv oder beides – und in großem Maßstab noch nicht erprobt. Eine der Technologien, die in letzter Zeit auf großes Interesse stößt und für die sogar Investitionen in der Frühphase getätigt wurden, ist die direkte Abscheidung von CO2 aus der Luft, bei der große Ventilatoren eingesetzt werden, um die Umgebungsluft durch chemische oder andere Prozesse zu leiten.
„Unser Verfahren würde weniger als die Hälfte der Energie benötigen, die von führenden Technologien zur direkten Luftabscheidung verbraucht wird, und wir glauben, dass wir von den Kosten her sehr wettbewerbsfähig sein können“, sagte Kanan, der auch ein Senior Fellow am Precourt Institute for Energy in der Stanford Doerr School of Sustainability ist.
Spontane Karbonisierung
Der neue Ansatz wurde von einer jahrhundertealten Technik zur Herstellung von Zement inspiriert. Die Zementherstellung beginnt mit der Umwandlung von Kalkstein in Kalziumoxid in einem auf etwa 1.400 °C erhitzten Brennofen. Das Kalziumoxid wird dann mit Sand gemischt, um einen Hauptbestandteil des Zements herzustellen. Das Stanford-Team hat in seinem Laborofen ein ähnliches Verfahren angewandt, aber anstelle von Sand haben sie Kalziumoxid mit einem anderen Mineral kombiniert, das Magnesium- und Silikat-Ionen enthält. Beim Erhitzen tauschten die beiden Mineralien Ionen aus und verwandelten sich in Magnesiumoxid und Kalziumsilikat – zwei alkalische Mineralien, die schnell mit dem sauren CO2 in der Luft reagieren.
„Der Prozess wirkt wie ein Multiplikator“, so Kanan. „Man nimmt ein reaktives Mineral, Kalziumoxid, und ein Magnesiumsilikat, das mehr oder weniger inert ist, und erzeugt zwei reaktive Mineralien.“ Als Schnelltest für die Reaktivität bei Raumtemperatur wurden das Kalziumsilikat und das Magnesiumoxid mit Wasser und reinem CO2 in Kontakt gebracht. Innerhalb von zwei Stunden verwandelten sich beide Materialien vollständig in neue Karbonatminerale, in denen der Kohlenstoff aus dem CO2 eingeschlossen war.
Für einen realistischeren Test wurden nasse Proben von Kalziumsilikat und Magnesiumoxid direkt der Luft ausgesetzt, die eine viel geringere CO2-Konzentration aufweist als reines CO2 aus einem Tank. In diesem Experiment dauerte der Karbonisierungsprozess Wochen bis Monate, was immer noch tausendmal schneller ist als die natürliche Verwitterung.
Anwendung im industriellen Maßstab
Das Stanford-Team sagt, dass ihr Ansatz über das Labor hinaus zur CO2-Abscheidung im industriellen Maßstab verwendet werden kann. „Man kann sich vorstellen, dass Magnesiumoxid und Kalziumsilikat über große Landflächen verteilt werden, um CO2 aus der Umgebungsluft zu entfernen“, so Kanan. „Eine interessante Anwendung, die wir gerade testen, ist die Zugabe dieser Mineralien zu landwirtschaftlichen Böden. Bei der Verwitterung verwandeln sich die Mineralien in Bikarbonate, die durch den Boden wandern und schließlich dauerhaft im Meer gespeichert werden können.“
Kanan sagte, dass dieser Ansatz auch Vorteile für Landwirte haben könnte, die normalerweise Kalziumkarbonat in den Boden einbringen, um den pH-Wert anzuheben, wenn dieser zu niedrig ist – ein Prozess, der als Kalkung bezeichnet wird.
„Die Zugabe unseres Produkts würde die Kalkung überflüssig machen, da beide Mineralkomponenten alkalisch sind“, erklärte er. „Außerdem gibt Kalziumsilikat bei der Verwitterung Silizium in einer Form an den Boden ab, die von den Pflanzen aufgenommen werden kann, was die Ernteerträge und die Widerstandsfähigkeit verbessern kann. Im Idealfall würden die Landwirte für diese Mineralien bezahlen, weil sie der Produktivität des Betriebs und der Gesundheit des Bodens zugute kommen – und als Bonus gibt es noch den Kohlenstoffabbau.“
Zementierung der Zukunft
In Kanans Labor können pro Woche etwa 15 kg des Materials hergestellt werden. Doch um CO2 in dem Umfang zu binden, der erforderlich ist, um die globalen Temperaturen spürbar zu beeinflussen, müssten jährlich Millionen t Magnesiumoxid und Kalziumsilikat produziert werden. „Jedes Jahr fallen weltweit mehr als 400 Millionen t Bergwerksabfälle mit geeigneten Silikaten an, was eine potenziell große Rohstoffquelle darstellt“, so Chen. „Es wird geschätzt, dass es auf der Erde mehr als 100.000 Gigatonnen Olivin- und Serpentinreserven gibt, genug, um dauerhaft weit mehr CO2 zu entfernen, als der Mensch je ausgestoßen hat.“ (Eine Gigatonne entspricht 1 Milliarde metrischen Tonnen oder etwa 1,1 Milliarden Tonnen.)
Unter Berücksichtigung der Emissionen, die bei der Verbrennung von Erdgas oder Biokraftstoff zum Betrieb der Öfen entstehen, schätzen die Forscher, dass jede Tonne reaktiven Materials eine Tonne Kohlendioxid aus der Atmosphäre entfernen könnte. Die Wissenschaftler schätzen, dass die weltweiten Kohlendioxidemissionen aus fossilen Brennstoffen im Jahr 2024 über 37 Milliarden t betragen werden.
Kanan arbeitet auch mit Jonathan Fan, außerordentlicher Professor für Elektrotechnik an der School of Engineering, zusammen, um Brennöfen zu entwickeln, die mit Strom betrieben werden, anstatt fossile Brennstoffe zu verbrennen. „Die Gesellschaft hat bereits herausgefunden, wie man Milliarden von Tonnen Zement pro Jahr herstellen kann, und Zementöfen laufen jahrzehntelang“, so Kanan. „Wenn wir diese Erkenntnisse und Entwürfe nutzen, gibt es einen klaren Weg, wie wir von der Entdeckung im Labor zur Beseitigung von Kohlenstoff in einem sinnvollen Maßstab übergehen können.“
