Mit Strom gegen Küstenerosion

Neue Forschungsergebnisse der Northwestern University haben systematisch bewiesen, dass ein leichter Stromschlag eine Meeresküste für Generationen stärken kann – und so die Erosionsgefahr angesichts des Klimawandels und des steigenden Meeresspiegels erheblich reduziert.

In der neuen Studie ließen sich die Forscher von Muscheln und anderen Meereslebewesen inspirieren, die in Schalen leben und dabei im Meerwasser gelöste Mineralien verwenden, um ihre Schalen zu bauen.

In ähnlicher Weise nutzten die Forscher dieselben natürlich vorkommenden, gelösten Mineralien, um einen natürlichen Zement zwischen meergetränkten Sandkörnern zu bilden. Doch anstatt Stoffwechselenergie zu verwenden wie Weichtiere, nutzten die Forscher elektrische Energie, um die chemische Reaktion anzuregen.

In Laborexperimenten veränderte ein schwacher elektrischer Strom augenblicklich die Struktur von Meeressand und verwandelte ihn in einen steinartigen, unbeweglichen Feststoff. Die Forscher sind zuversichtlich, dass diese Strategie eine dauerhafte, kostengünstige und nachhaltige Lösung zur Stärkung der Küstenlinien weltweit bieten könnte.

Die Studie mit dem Titel „Elektrodeposition von kalkhaltigem Zement aus Meerwasser in marinen Quarzsanden“ erscheint in der Zeitschrift Kommunikation Erde & Umwelt.

„Über 40 % der Weltbevölkerung leben in Küstengebieten“, sagte Alessandro Rotta Loria von der Northwestern University, der die Studie leitete. „Aufgrund des Klimawandels und des steigenden Meeresspiegels stellt Erosion eine enorme Bedrohung für diese Gemeinschaften dar. Durch den Zerfall der Infrastruktur und den Verlust von Land verursacht Erosion weltweit jährlich Schäden in Milliardenhöhe. Aktuelle Ansätze zur Eindämmung der Erosion umfassen den Bau von Schutzstrukturen oder das Einbringen externer Bindemittel in den Untergrund.“

„Mein Ziel war es, einen Ansatz zu entwickeln, der den Status quo im Küstenschutz verändern kann – einen Ansatz, der ohne den Bau von Schutzstrukturen auskommt und Meeressubstrate ohne Verwendung von echtem Zement zementieren kann. Durch die Anwendung einer leichten elektrischen Stimulation auf Meeresböden haben wir systematisch und mechanistisch bewiesen, dass es möglich ist, diese zu zementieren, indem man natürlich gelöste Mineralien im Meerwasser in feste mineralische Bindemittel – einen natürlichen Zement – ​​umwandelt.“

Rotta Loria ist Louis Berger Assistant Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen an der McCormick School of Engineering der Northwestern University. Andony Landivar Macias, ein ehemaliger Doktorand in Rotta Lorias Labor, ist Erstautor der Studie. Steven Jacobsen, Mineraloge und Professor für Erd- und Planetenwissenschaften am Weinberg College of Arts and Sciences der Northwestern University, ist ebenfalls Co-Autor der Studie.

Auch Deiche erodieren

Von zunehmenden Regenfällen bis hin zum steigenden Meeresspiegel hat der Klimawandel Bedingungen geschaffen, die die Küsten allmählich erodieren lassen. Laut einer Studie der Gemeinsamen Forschungsstelle der Europäischen Kommission aus dem Jahr 2020 werden bis Ende dieses Jahrhunderts fast 26 % der Strände der Erde weggespült.

Um dieses Problem zu mildern, haben die Gemeinden zwei Hauptansätze verfolgt: den Bau von Schutzstrukturen und Barrieren, wie z. B. Deichen, oder das Einspritzen von Zement in den Boden, um den Meeresboden, der meist aus Sand besteht, zu verstärken. Diese Strategien sind jedoch mit zahlreichen Problemen verbunden. Diese konventionellen Methoden sind nicht nur extrem teuer, sie sind auch nicht von Dauer.

„Auch Deiche leiden unter Erosion“, sagte Rotta Loria. „Mit der Zeit erodiert der Sand unter diesen Mauern und die Mauern können schließlich einstürzen. Schutzstrukturen bestehen häufig aus großen Steinen, die Millionen von Dollar pro Meile kosten. Der Sand unter ihnen kann sich jedoch aufgrund einer Reihe von Umweltbelastungen im Wesentlichen verflüssigen und diese großen Steine ​​werden vom Boden unter ihnen verschluckt.“

„Das Einspritzen von Zement und anderen Bindemitteln in den Boden bringt eine Reihe irreversibler Umweltnachteile mit sich. Zudem sind typischerweise hohe Drücke und ein erheblicher Energieaufwand erforderlich.“

Aus Ionen wird Klebstoff

Um diese Probleme zu umgehen, entwickelten Rotta Loria und sein Team eine einfachere Technik, die von Korallen und Weichtieren inspiriert war. Meerwasser enthält von Natur aus unzählige Ionen und gelöste Mineralien. Wird das Wasser einem schwachen elektrischen Strom (2 bis 3 Volt) zugeführt, löst dies chemische Reaktionen aus. Dadurch werden einige dieser Bestandteile in festes Kalziumkarbonat umgewandelt – dasselbe Mineral, das Weichtiere zum Bau ihrer Schalen verwenden. Mit einer etwas höheren Spannung (4 Volt) können diese Bestandteile ebenfalls überwiegend in Magnesiumhydroxid und Hydromagnesit umgewandelt werden, ein allgegenwärtiges Mineral, das in verschiedenen Steinen vorkommt.

Wenn diese Mineralien in Gegenwart von Sand zusammenfließen, wirken sie wie ein Klebstoff, der die Sandpartikel zusammenhält. Im Labor funktionierte der Prozess auch mit allen Sandarten – von gewöhnlichem Quarzsand und Kalksand bis hin zu Eisensand, der oft in der Nähe von Vulkanen vorkommt.

„Nach der Behandlung sieht der Sand wie ein Stein aus“, sagte Rotta Loria. „Er ist fest und steif, nicht körnig und unzusammenhängend. Die Mineralien selbst sind viel stärker als Beton, daher könnte der entstehende Sand so stark und steif werden wie eine Ufermauer.“

Während sich die Mineralien sofort nach dem Anlegen des Stroms bilden, erzielen längere elektrische Stimulationen deutlichere Ergebnisse. „Wir haben bereits nach wenigen Tagen der Stimulation bemerkenswerte Ergebnisse festgestellt“, sagte Rotta Loria. „Dann sollte der behandelte Sand an Ort und Stelle bleiben, ohne dass weitere Eingriffe erforderlich sind.“

Umweltfreundlich und reversibel

Rotta Loria prognostiziert, dass der behandelte Sand seine Haltbarkeit behält und Küsten und Eigentum jahrzehntelang schützen wird.

Auch über negative Auswirkungen auf das Meeresleben müsse man sich keine Sorgen machen, sagt Rotta Loria. Die dabei eingesetzten Spannungen seien zu gering, um sie zu spüren. Andere Forscher haben ähnliche Verfahren eingesetzt, um Unterwasserstrukturen zu verstärken oder sogar Korallenriffe wiederherzustellen. Dabei kamen keine Meereslebewesen zu Schaden.

Wenn Gemeinden den verfestigten Sand nicht mehr haben wollen, hat Rotta Loria auch dafür eine Lösung, denn der Prozess ist vollständig umkehrbar. Wenn die Anoden- und Kathodenelektroden der Batterie vertauscht werden, löst der Strom die Mineralien auf – und macht den Prozess damit praktisch rückgängig.

„Die Mineralien bilden sich, weil wir den pH-Wert des Meerwassers an den Kathodengrenzflächen lokal erhöhen“, sagte Rotta Loria. „Wenn man die Anode mit der Kathode vertauscht, kommt es zu lokalen pH-Absenkungen, die die zuvor ausgefällten Mineralien auflösen.“

Wettbewerbsfähiger Preis, unzählige Einsatzmöglichkeiten

Das Verfahren bietet eine kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Methoden. Nach Berechnungen schätzt Rotta Lorias Team, dass sein Verfahren nur 3 bis 6 Dollar pro Kubikmeter elektrisch zementierten Bodens kostet. Etabliertere, vergleichbare Methoden, bei denen Bindemittel zum Anhaften und Verfestigen des Sandes verwendet werden, kosten für das gleiche Volumen bis zu 70 Dollar.

Untersuchungen im Labor von Rotta Loria zeigen, dass dieser Ansatz auch rissige Strukturen aus Stahlbeton heilen kann. Ein Großteil der bestehenden Infrastruktur an Land besteht aus Stahlbeton, der aufgrund komplexer Effekte durch steigenden Meeresspiegel, Erosion und extreme Wetterbedingungen zerfällt. Wenn diese Strukturen Risse bekommen, muss die Infrastruktur mit dem neuen Ansatz nicht komplett neu aufgebaut werden. Stattdessen kann ein einziger Stromimpuls potenziell zerstörerische Risse heilen.

„Die Anwendungsmöglichkeiten dieses Ansatzes sind zahllos“, sagte Rotta Loria. „Wir können ihn nutzen, um den Meeresboden unter Deichen zu verstärken oder Sanddünen zu stabilisieren und instabile Erdhänge zu erhalten. Wir könnten ihn auch nutzen, um Schutzstrukturen, Meeresfundamente und so viele andere Dinge zu verstärken. Es gibt viele Möglichkeiten, ihn zum Schutz von Küstengebieten einzusetzen.“

Als nächstes plant Rotta Lorias Team, die Technik außerhalb des Labors und am Strand zu testen.