Forscher messen Kohlenstoffmineralisierung in beispiellos kleinem Maßstab

Wenn wir zum Himmel blicken und über eine der größten Fragen unserer Zeit nachdenken – wie wir die Kohlendioxid-Emissionen bekämpfen können, die den Klimawandel vorantreiben –, könnte eine mögliche Antwort direkt unter unseren Füßen liegen, tief unter der Oberfläche der Erde.

Wissenschaftler des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) haben ein Verfahren entwickelt, das Kohlendioxid (CO2) in festes Gestein umwandelt. Es ahmt die natürlichen Prozesse der Erde nach, allerdings in einem viel schnelleren Tempo – von Tausenden von Jahren auf nur wenige Monate. Doch um CO2 in festen Mineralien zu speichern, ein Prozess namens Kohlenstoffmineralisierung, in einem Ausmaß, das groß genug ist, um eine Wirkung zu erzielen, bedarf es mehr als nur der Entdeckung allein.

„Wir brauchen Möglichkeiten zur Messung, Überprüfung und Kommunikation, damit das CO2, das wir in den Boden leiten, mineralisiert ist und nicht entweicht“, sagt Todd Schaef, Chefchemiker des PNNL und Pionier auf dem Gebiet der Kohlenstoffmineralisierung in Basalten.

Madeline Bartels, eine Praktikantin in Schaefs Team, hat dabei geholfen. Ihre Forschung, veröffentlicht im Journal Analytische Chemiezählt Kohlenstoffmineralmoleküle in einem Maßstab, den noch niemand zuvor gemessen hat – weniger als 100 Teile pro Million.

„Wir können tatsächlich sehen, wie viel Kohlenstoff wir im Gestein einschließen“, sagte Bartels. „Stellen Sie sich vor, Sie legen eine Spielkarte auf ein Fußballfeld. Das entspräche der Größenordnung von einem Teil pro Million, aber stattdessen messen wir die Menge an Kohlenstoffmineralien in einer winzigen Probe pulverisierten Gesteins.“

Früher war es, als würden sie die Spielkarten auf dem Spielfeld von der obersten Tribünenreihe aus betrachten. Jetzt stehen sie direkt auf dem Spielfeld und können es aus nächster Nähe betrachten.

Die Vereinigten Staaten stoßen jährlich mehr als 6.300 Millionen Tonnen Kohlendioxid aus. Mithilfe der PNNL-Kohlenstoffspeichertechnik haben Forscher 2013 am Wallula Basalt Pilot Demonstration-Standort 977 Tonnen flüssiges CO2 in den Untergrund injiziert, es nach 22 Monaten erneut untersucht und festgestellt, dass es sich in festes Mineral umgewandelt hat.

Woher wissen wir, dass sich aus CO2 Gestein gebildet hat?

Obwohl Kohlenstoffmineralisierung große Mengen CO2 binden kann, gibt es in den USA bisher kein großtechnisches Projekt. Eine Sondergenehmigung für die unterirdische CO2-Injektion ist erforderlich, wurde aber bisher nicht erteilt, da die industriellen Anforderungen noch entwickelt und getestet werden.

„Das Energieministerium, Gemeinden, Interessenvertreter, die Industrie und nationale Labore arbeiten zusammen, um sicherzustellen, dass wir über die besten Werkzeuge für eine nachhaltige und sichere Speicherung von CO2 durch Mineralisierung in Basalt und anderen reaktiven Gesteinen verfügen“, sagte Quin Miller, Co-Autor des Papiers und Mentor von Bartels.

Wenn die Methode der thermogravimetrischen Analyse mit Massenspektrometrie (TGA-MS) als Standard übernommen wird, könnten private Unternehmen sie eines Tages einsetzen, um zu messen und zu überprüfen, wie viel CO2 eingeschlossen wird.

„Es ist wirklich cool, dass die Forschung, an der ich während meines Studiums gearbeitet habe, möglicherweise einen bedeutenden Beitrag zu diesem aufstrebenden Bereich leisten kann“, sagte Bartels, die während ihres Bachelorstudiums an der Yale University an zwei SULI-Praktika des Energieministeriums und des Office of Science Workforce Development for Teachers and Scientists teilgenommen hat.

Als Test wurde TGA-MS an Bohrproben durchgeführt, die aus dem Wallula-Brunnen gewonnen wurden.

„Wir haben Gesteinsproben zu einer sehr feinen, pulverförmigen Masse zermahlen und eine kleine Menge – etwa in der Größe eines Sonnenblumenkerns – in eine Maschine gegeben, die sich erhitzt und das Gewicht der Probe misst“, sagte Bartels.

Bei großer Hitze finden verschiedene Reaktionen statt. Wassermoleküle und CO2-Moleküle werden aus der Probe freigesetzt und gelangen in ein kleines Röhrchen, das an ein Massenspektrometer angeschlossen ist.

„Es kann schwierig sein, die Menge und Quelle des Kohlenstoffs zu bestimmen“, sagte Miller. „Wir können viele Dinge tun, zum Beispiel Gestein mit Röntgenstrahlen bestrahlen und versuchen, die Karbonate auf diese Weise zu untersuchen, aber TGA-MS ermöglicht es uns, viel kleinere Mengen zu untersuchen, als wir mit unseren Röntgenstrahlen erkennen konnten.“

Mithilfe dieser Technik konnten die Forscher Kohlenstoffmineralien quantifizieren, als sie durch das Rohr in das Massenspektrometer gelangten. Sie entdeckten die Mineralien in einer winzigen Menge von 48 ppm. Dies war die erste bekannte Studie, bei der die TGA-MS-Quantifizierung auf zweistellige Werte gesenkt wurde. Anhand der Messungen erstellte das PNNL-Team eine Kalibrierungskurve, um das Gewicht der Kohlenstoffmineralien mit ihrem TGA-MS-Signal zu verknüpfen. So konnten sie die Menge der Kohlenstoffmineralien in der Probe quantifizieren.

Mentoring für die nächste Generation von Experten für Kohlenstoffmineralisierung

Während sich das Forschungsfeld weiterentwickelt, sind Schaef und Miller bestrebt, die PNNL-Entdeckung der Kohlenstoffmineralisierung auf einen kommerziellen Maßstab zu bringen und Studenten und Nachwuchsforscher zu inspirieren, sich an der Suche nach Lösungen zum Kohlenstoffmanagement zu beteiligen.

„Madelines Teilnahme an SULI gab ihr die Möglichkeit, praktische Erfahrung zu sammeln, als Erstautorin eine Arbeit zu veröffentlichen und auf einem Cover abgebildet zu werden. Es war eine großartige, wirkungsvolle Arbeit“, sagte Miller. „Je mehr Leute wir in diesem Team haben, desto mehr Perspektiven, Ideen und Methoden werden eingebracht, wie man Dinge tun kann, um diese Forschung auf ein neues Niveau zu bringen.“

Bartels kam diesen Sommer als SULI-Praktikantin wieder zu PNNL und plant, ihre Forschungen zur Kohlenstoffmineralisierung und Geochemie als Doktorandin fortzusetzen.

„Als nationales Labor wollen wir die nächste Generation begeistern, und genau das tun wir hier“, sagte Schaef. „Ich bin seit über 32 Jahren in diesem Bereich tätig und würde gerne mehr Menschen wie Madeline ausbilden, um hoffentlich Lösungen für diese gesellschaftlichen Herausforderungen zu finden.“