Eine transformative Kohlenstoffsenke im Ozean?

Vor einigen Jahrzehnten, als die Konzentration von Kohlendioxid (CO₂) in der Atmosphäre deutlich unter 400 ppm lag, begannen Klimaforscher vor den negativen Folgen der Verbrennung fossiler Brennstoffe für das Erdklima zu warnen.Aus diesen frühen Warnungen ging ein Konsens hervor, dass die Kohlenstoffemissionen gesenkt (und schließlich auf Null gesetzt) ​​werden müssten, um gefährliche Folgen der globalen Erwärmung wie extreme Hitze, stärkere Stürme und stärkere Überschwemmungen und Dürren zu vermeiden.

Heute ist das atmosphärische CO₂ Konzentration liegt weit über 400 ppm und weiter steigend, und eine Fülle von Untersuchungen und jüngsten Unwetterereignissen deuten darauf hin, dass diese gefährlichen Folgen bereits eintreten.Die Regierungen haben sich ehrgeizige Ziele gesetzt, um die Emissionen einzudämmen, und es werden einige Fortschritte erzielt, aber es gibt ernsthafte Fragen und Bedenken hinsichtlich der langsames Tempo dieses Fortschritts gibt es im Überfluss.

 Bei jedem Ansatz zur Kohlendioxidentfernung bleibt die Frage offen, wie groß die Auswirkungen sind, die er auf die Entfernung und sichere Speicherung von atmosphärischem Kohlenstoff haben kann.

Um den Kohlenstoffgehalt in der Atmosphäre effektiv zu senken, sind eine Reihe von Maßnahmen erforderlich, von Einzelpersonen, die schwierige Entscheidungen treffen über Lebensstiländerungen bis hin zur internationalen Zusammenarbeit, um Lösungen aus einem vielfältigen Spektrum an Optionen zu finden.Zu den in Betracht gezogenen Optionen gehören Methoden für gezielte Entfernung von Kohlendioxid (CDR) aus der Atmosphäre, einst als letzter Ausweg angesehen.Viele CDR-Ansätze, sowohl an Land als auch auf See, befinden sich in verschiedenen Test- und Entwicklungsstadien.Jedes hat Vor- und Nachteile, beispielsweise im Hinblick auf die Kosten und potenziell negative Nebenwirkungen.Und bei jedem bleibt die Frage offen, wie groß die Auswirkungen sein können, die er auf die Gewinnung und sichere Speicherung von atmosphärischem Kohlenstoff haben kann.

Hier skizzieren wir einen alternativen CDR-Ansatz, der von einem natürlichen Kohlenstoffbindungsprozess am Meeresboden inspiriert ist und theoretisch erhebliche Mengen atmosphärischen Kohlenstoffs entfernen könnte.Auch zu diesem Ansatz müssten erhebliche Fragen und Bedenken beantwortet werden, aber angesichts seines enormen Potenzials halten wir ihn für eine Untersuchung wert.

Das aktuelle Menü mit Optionen zur Kohlendioxidentfernung

Der Bereich CDR boomt Nachfrage nach kostengünstigen Strategien übersteigt das Angebot.Die bekanntesten Ansätze zielen darauf ab, organischen Kohlenstoff in Biomasse, an Land und in den Ozeanen zu speichern.Die Bemühungen zur Wiederherstellung natürlicher Lebensräume mit Kapazitäten zur Kohlenstoffspeicherung sind lobenswert.Dieser organische Kohlenstoff ist jedoch anfällig für Oxidation und Wiederfreisetzung in die Atmosphäre, insbesondere durch Verbrennung bei Waldbränden und Verfall dürregeplagter Vegetation.Auf See werden solche Bemühungen beispielsweise durch den Anbau von Meeresalgen und die Nährstoffdüngung verfolgt, wobei unklar ist, wie viel der neu entstandenen Biomasse letztlich gespeichert wird und wie lange.

Kohlendioxid kann auch mithilfe der Säure-Base-Chemie eingefangen und dann im Gestein (z. B. erschöpften Öllagerstätten) oder im Ozean gebunden werden.Allerdings stoßen solche Ansätze auch auf die Herausforderung, eine dauerhafte Speicherung zu erreichen, was Fragen zur Sicherheit und zur Möglichkeit einer Wiederfreisetzung des gebundenen Kohlenstoffs in die Atmosphäre aufwirft.

Die Verbesserung der Alkalität der Ozeane ist vielversprechend, da die Kapazität des Ozeans zur Speicherung von Bikarbonat im relevanten Zeitrahmen ausreichend ist.

CO umwandeln₂ zu Mineralkarbonat bietet einen Mechanismus zur dauerhaften Speicherung [Kelemen und Materie, 2008].Natürliche Reaktionen, bekannt als Ebelmen-Urey-Reaktionen [Pierrehumbert, 2010], in dem Silikatmineralien wie Forsterit (Mg₂SiO₄;eine Form von Olivin) reagieren mit CO₂ um Karbonatmineralien und Kieselsäure (z. B. Mg) zu gewinnen₂SiO₄ + 2CO₂ → 2MgCO₃ + SiO₂Aufgrund ihrer Abhängigkeit von der Temperatur und den damit verbundenen Rückkopplungen wird angenommen, dass sie während des größten Teils der Erdgeschichte als Planetenthermostat gewirkt haben.Diese Reaktionen haben in der Vergangenheit dazu geführt, dass die Erde allmählich aus dem warmen Treibhausklima herauskam, indem sie den CO2-Ausstoß in der Atmosphäre senkten₂, und sie werden schließlich den anthropogenen Kohlenstoffanstieg beseitigen, wenn auch nicht in einem für die menschliche Zivilisation relevanten Zeitrahmen.

In der Zwischenzeit muss die Menschheit möglicherweise CDR in großem Umfang einführen, um die Gewinnung und Verbrennung fossiler Brennstoffe im letzten Jahrhundert zu kompensieren.Verbesserung der Alkalität der Ozeane (OAE), bei dem die Zugabe von Ionen wie Mg²⁺ und Ca²⁺ (aus Materialien wie Olivin oder Kalk) in den Ozean führt zu einer stärkeren Auflösung von atmosphärischem CO₂ um Bikarbonat (HCO) zu bilden₃^–), ist vielversprechend, da die Kapazität des Ozeans zur Speicherung von Bikarbonat im relevanten Zeitrahmen ausreichend ist [Renforth und Henderson, 2017].Tatsächlich werden OAE-Ansätze untersucht, bei denen es häufig um Materialien geht, die auf der Meeresoberfläche verteilt sind, obwohl auch sie Fragen hinsichtlich ihrer Machbarkeit im großen Maßstab stellen.Gibt es andere Meeresumgebungen, in denen OAE in großem Umfang und mit dauerhaften Ergebnissen durchgeführt werden könnte?

Transformationsfehler bieten einen transformativen Ansatz

Der Erdmantel, der mehr als 80 % des Planetenvolumens ausmacht, ist ein riesiges Reservoir an ultramafischem Gestein (mit geringem Siliziumgehalt).Konzeptionell könnte ein kleiner Bruchteil dieses Gesteins – mindestens etwa 600 Kubikkilometer, wenn es vollständig in Karbonat umgewandelt wird – die gesamte Menge fossilen Kohlenstoffs aus dem Industriezeitalter in der Atmosphäre neutralisieren.

Ozeanische Transformationsstörungen und ihre Bruchzonenerweiterungen stellen tektonische Umgebungen dar, in denen solche reaktiven Mantelgesteine, die normalerweise unter kilometerlanger Kruste vergraben sind, an der Erdoberfläche freigelegt werden.Die Entdeckung von Transformfehlern – die die divergenten Plattengrenzen verbinden, die sich in Ausbreitungszentren in der Mitte des Ozeans befinden – war der Schlüssel zur Auslösung der plattentektonischen Revolution in den 1960er Jahren [Karson, 2020].Und heute stellt das gleichzeitige Vorkommen der richtigen Gesteine ​​und der Hochrelief-Bathymetrie eine optimale Kombination aus chemischen und gravitativen Ungleichgewichten dar, was auf ein Potenzial für groß angelegte CDR schließen lässt, die nirgendwo sonst auf der Erde zu finden ist.

Insbesondere an magmaarmen, sich langsam ausbreitenden (<4 Zentimeter pro Jahr) Plattengrenzen finden sich in Transformationsstörungsgebieten relativ schnell reagierende Magnesiumsilikatmineralien in Hülle und Fülle [Kelemen et al., 2020].Das Ausmaß der Transformationsverwerfungstäler stellt das Ausmaß terrestrischer Erosionsmerkmale wie des Grand Canyon in den Schatten.U-Boot-Talwände sind anfällig für Massenverschwendung, wodurch frische Oberflächen reaktiver Silikatmineralien freigelegt werden.Lokal führt die Bewegung von nahezu horizontalen Ablösungsfehlern dazu, dass Teile der Kruste vom darunter liegenden Mantel abrutschen, was eine weitere Freilegung von ultramafischem Gestein am Meeresboden ermöglicht.

Aktives Brechen, das für Wasser-Gestein-Reaktionen zur Bildung alkalischer Lösungen erforderlich ist, ist weit verbreitet.Langsame Geschwindigkeiten seismischer Wellen, die entlang ozeanischer Transformationsstörungen beobachtet werden, deuten darauf hin, dass Wasser in Tiefen von mehr als 30 Kilometern vordringt [Wang et al., 2022].Aufgrund der unterschiedlichen Abkühlung des Meeresbodengesteins in diesen Umgebungen kommt es auch in den Bruchzonenerweiterungen der Transformationsplattengrenzen weiterhin zu unterschiedlichen vertikalen Bewegungen und neuen Brüchen.Darüber hinaus sind entlang der Kammkämme und entlang der Grabenwände lokal aktive Verwerfungen vorhanden, die reaktives Mantelgestein freilegen.

Verlorene Stadt suburbanisieren?

Es ist bekannt, dass ozeanische Transformationsverwerfungen Niedertemperatur-Hydrothermalsysteme beherbergen, die gelöstes CO binden₂ durch Ausfällung von Mineralkarbonat [Kelley et al., 2007].Ein Paradebeispiel ist die Hydrothermales Feld „Lost City“. (LCHF) liegt etwa auf dem 30. nördlichen Breitengrad und 15 Kilometer westlich des Mittelatlantischen Rückens im Atlantis-Massiv.Hier setzen Quellen am Meeresboden alkalische Flüssigkeiten mit hohem pH-Wert frei, die mit Meerwasser reagieren und über 60 Meter hohe Türme aus Karbonat (z. B. CaCO) ausfallen lassen₃) und Brucit (Mg[OH]₂).

Hydrothermale Niedertemperaturzirkulation am LCHF ist verknüpft mit die exotherme Hydratation von Olivin und verwandten Mineralien durch unter dem Meeresboden versickerndes Wasser (z. B. 2 mg).₂SiO₄ + H₂O + 2H⁺ → Mg₃Si₂O₅(OH)₄ + Mg²⁺).Bei dieser Reaktion entstehen Mineralien der Serpentinengruppe (z. B. Mg).₃Si₂O₅(OH)₄), die Hauptmineralien im Serpentinitgestein.Die hydrothermischen Flüssigkeiten steigen dann durch ein durchlässiges System aus gebrochenem Gestein auf.Durch die Vermischung der warmen, alkalischen Entlüftungsflüssigkeiten (pH > 10) mit Meerwasser werden die Karbonatgleichgewichte lokal verschoben, was die Karbonatausfällung begünstigt.

Stellen Sie sich vor, es wäre möglich, diesen natürlichen CDR-Prozess durch die gezielte Erweiterung hydrothermaler Niedertemperatursysteme wie Lost City und zu verbessern Abgabe der alkalischen Flüssigkeiten an die Meeresoberfläche um gleichzeitig die anthropogene Ozeanversauerung umzukehren und atmosphärisches CO zu senken₂.Es mag wie eine kühne und technisch anspruchsvolle Leistung erscheinen, aber die benötigten Kerntechnologien sind bereits verfügbar.

Bohrungen und Hydrofracking an Standorten mit aktivem Massenverlust würden frische reaktive Mineraloberflächen schaffen und die Serpentinisierung, weitere Rissbildung und die Produktion größerer Mengen alkalischer hydrothermaler Flüssigkeiten mit hohem pH-Wert fördern.Dann könnten die Flüssigkeiten entweder gepumpt oder so geleitet werden, dass sie schwimmend durch isolierte Rohrleitungen aufsteigen, um die Alkalität der gemischten Meeresoberflächenschicht zu erhöhen.Im Vergleich zur bestehenden Infrastruktur für fossile Brennstoffe, die die Kontinente und den Meeresboden durchzieht, dürfte die Leitung dieser Flüssigkeiten an die Oberfläche durchaus machbar sein.Was die Oberflächeninfrastruktur betrifft, könnten stillgelegte Flotten von Flugzeugträgern – vermutlich angetrieben durch nichtfossile Energiequellen wie Kernkraft oder Wind – als Bohrplattformen dienen.Die Transformationsverwerfungssteilhänge der Erde bedecken eine Größe von etwa 100.000 Quadratkilometern, eine Fläche, die für diesen CDR-Ansatz wahrscheinlich mehr als ausreichend ist [z. B. Kelemen et al., 2020].

Auch wenn die grundlegende Technologie und das Ausmaß des freigelegten Mantelmaterials verfügbar sind, müssen praktische wissenschaftliche Fragen geklärt werden.Beispielsweise wäre zusätzliche Forschung erforderlich, um die relative Bedeutung negativer und positiver Rückkopplungen in hydrothermalen Umgebungen mit niedrigen Temperaturen zu verstehen [Kelemen et al., 2020].Zu den negativen Rückmeldungen kann „Verstopfen“ gehören, bei dem die Ausfällung von Sekundärmineralien die Durchlässigkeit und die Produktion alkalischer Flüssigkeiten hemmt.Positive Rückkopplungen, die diese Systeme am Laufen halten, werden inzwischen sowohl durch die lange Lebensdauer von Schloten als auch durch die Verbreitung von gebrochenem und verändertem Gestein belegt.

Es gibt auch potenzielle kinetische Probleme, mit denen man sich auseinandersetzen muss – obwohl die Chemie einen erhöhten CO-Verbrauch begünstigt₂ Im Ozean ist das Tempo der Reaktionen möglicherweise zu langsam, um in menschlichen Zeitplänen eine Rolle zu spielen.Es wurden mehrere Optionen untersucht, um die CO-Emissionen zu beschleunigen₂-zehrende Reaktionen.Kelemen und Materie [2008] zeigte beispielsweise, dass die Geschwindigkeit der Olivinkarbonisierung bei der optimalen Reaktionstemperatur von 185 °C (365 °F) und hohen CO-Partialdrücken um ein Millionenfaches über die typischen Geschwindigkeiten ansteigt₂.Es wurden auch elektrochemische Strategien zur Beschleunigung des Prozesses untersucht [z. B. Rau et al., 2013].

Das Problem mit Methan

Die Vorstellung, hydrothermale Systeme absichtlich zu erweitern und Flüssigkeiten an die Meeresoberfläche zu leiten, wirft erhebliche Bedenken auf.Ganz oben auf der Liste steht Methan.

Über die Frage nach der technischen Machbarkeit hinaus wirft der Gedanke, hydrothermale Systeme absichtlich zu erweitern und Flüssigkeiten an die Meeresoberfläche zu leiten, deutliche Bedenken auf.Ganz oben auf der Liste steht, dass Methan, ein starkes Treibhausgas, ein allgegenwärtiges Produkt der Serpentinisierung ist.Welche Rolle spielen kohlenstofffreie Mineralien bei der Bildung von kohlenstoffreichem Methan?

Bei Serpentinisierungsreaktionen entsteht Mantel-Olivin, eine feste Lösung von typischerweise 90 % Forsterit (Mg).₂SiO₄) und 10 % Fayalit (Fe₂SiO₄), setzt reduziertes Eisen (Fe) frei²⁺), was der Schuldige ist.Wasser oxidiert das reduzierte Eisen und bildet molekularen Wasserstoff (H₂) im Prozess (d. h. 3Fe₂SiO₄ + 2H₂O → 2Fe₃O₄ + 3SiO₂ + 2H₂).Dieser Wasserstoff wandelt dann jeglichen oxidierten Kohlenstoff (z. B. CO) um₂) vorhanden zu Methan (d. h. 4H₂ + CO₂ → CH₄ + 2H₂O).Es wäre eindeutig unerwünscht, Methanquellen zu schaffen oder zu vergrößern und das Gas in die Atmosphäre gelangen zu lassen.

Die Nachrichten sind jedoch möglicherweise nicht nur schlecht.Sowohl Wasserstoff als auch Methangas sind Energiequellen – ersteres ist eine saubere Energiequelle.Die Gewinnung der Gase könnte dazu beitragen, die anhaltende Nachfrage nach konventioneller Energie und die wachsende Nachfrage nach sauberer Energie zu decken und gleichzeitig zur Finanzierung von Bohr- und CDR-Infrastruktur beizutragen.In einem alternativen, wirtschaftlich ausgerichteten Rahmen könnte das Hauptziel für den Ausbau hydrothermaler Entlüftungssysteme wie beschrieben sogar darin bestehen, einkommensschaffende Quellen für Wasserstoffgas zu produzieren und zu vermarkten, mit CDR als vorteilhaftem Nebenprodukt.

Die Gewinnung dieser Gase in der Tiefsee könnte sich natürlich als Herausforderung erweisen.In Lost City trägt das Karbonatgestein am Meeresboden dazu bei, die Ströme austretender Flüssigkeiten zu bündeln.Ob eine künstliche Infrastruktur die erzeugten Gase in ähnlicher Weise ohne übermäßige Leckage bündeln würde, ist eine offene Frage.

Was könnte sonst noch schiefgehen?

Abgesehen vom möglichen Austritt von überschüssigem Methan bestehen noch weitere Bedenken.Niedertemperatur-Hydrothermalsysteme wie Lost City stehen in scharfem Kontrast zu Hochtemperatur-Hydrothermalsystemen, die entlang mittelozeanischer Rücken häufig vorkommen.Diese Hochtemperatursysteme, in denen gelöstes Magnesium tatsächlich gegen Protonen (d. h. Mg) ausgetauscht wird²⁺ → 2H⁺), leiten saure Lösungen ab, die das Alkalinitätsbudget des Ozeans schmälern, so dass eine unbeabsichtigte Erhöhung des Flüssigkeitsflusses aus diesen Systemen kontraproduktiv wäre.Die Nähe zu Standorten mit hohem Wärmefluss ist eindeutig zu vermeiden.

Bohrungen oberhalb von Verwerfungsrändern könnten möglicherweise auch Massenverschwendung und Tsunamis auslösen, eine potenzielle Gefahr, die in tektonisch aktiven Regionen wie dem Puerto-Rico-Graben untersucht wurde.

Aktivitäten im Zusammenhang mit dem vorgeschlagenen CDR-Ansatz könnten auch Lebensräume am Meeresboden und an der Meeresoberfläche beeinträchtigen.Eine solche Störung ist eine großes Anliegen mit Bemühungen zum Abbau des Meeresbodens, und es wären erhebliche Anstrengungen erforderlich, um eine Schädigung der Ökosysteme des Meeresbodens im Interesse der CDR zu vermeiden.Um Störungen in den Lebensräumen der Oberflächenmeere zu minimieren, könnte ein Abgabesystem entwickelt werden, um problematische gelöste Stoffe zu entfernen und die alkalischen Entlüftungsflüssigkeiten zu verdünnen, bevor sie mit Oberflächengewässern vermischt werden.

Ein böses Problem zerstreuen

Die Büchse der Pandora fossiler Energie hat das „bösartige“ Problem des Klimawandels geschaffen, für das es keine einfache oder einheitliche Lösung gibt [Incropera, 2015].Der Übergang weg von fossilen Energiequellen ist im Gange, aber selbst wenn die Kohlenstoffemissionen morgen verschwinden würden, wird es einen Überschuss an CO geben₂ würde noch lange in unserem Himmel bleiben.

Der natürliche CDR-Prozess, der an ozeanischen Transformationsfehlern auftritt, stellt, wenn er genutzt werden könnte, eine potenziell transformative Lösung dar.

Es gibt keine perfekten Optionen zur Entfernung von überschüssigem Kohlenstoff – bei allen Methoden bestehen Fragen hinsichtlich ihrer Sicherheit, Haltbarkeit und Wirksamkeit im großen Maßstab.Der natürliche CDR-Prozess, der an ozeanischen Transformationsfehlern auftritt, wenn er genutzt werden könnte, um atmosphärisches CO abzubauen₂ und den pH-Wert an der Meeresoberfläche erhöhen, stellt eine potenziell transformative Lösung dar.Diese Einstellungen kombinieren optimale chemische und gravitative Ungleichgewichte im erforderlichen Maßstab – die richtigen Gesteine, die zum Bruch bereit sind, sind in praktisch unbegrenzter Menge vorhanden.Wenn reduzierte Gase wie Wasserstoff und Methan ohne Angst vor Leckagen zur Energiegewinnung gewonnen werden könnten, könnte der Ansatz finanziell nachhaltig sein.

Geoengineering-Lösungen kann unbeabsichtigte Folgen haben, Daher ist ein vorsichtiger Ansatz angebracht.Wir schlagen vor, dass weitere Forschung erforderlich ist, um die technische Machbarkeit des hier beschriebenen CDR-Ansatzes zu untersuchen und mögliche Teststandorte entlang von Transformationsfehlern für Pilotbohrexperimente zu identifizieren.Außerdem ist ein Governance-System zur Überwachung und Regulierung von Forschung, Tests und Entwicklung mariner CDR erforderlich.

Ist dies also eine potenziell den Planeten rettende Idee, die es wert ist, erkundet zu werden, oder ist sie faszinierend, aber ablenkend?Wir freuen uns über Beiträge aus der Geowissenschaftsgemeinschaft und darüber hinaus.Unabhängig von der Meinung wird immer klarer, dass ehrgeizige Ideen erforderlich sind, um den Fortschritt bei der Eindämmung der Auswirkungen der globalen Erwärmung zu beschleunigen und das schlimme Problem, mit dem wir konfrontiert sind, zu beseitigen.

Quelle : Eos