Geologie im Zeitraffer

Negative Emissionen sollen ein vorübergehendes Überschreiten des Zwei-Grad-Ziels und den unvermeidbaren Ausstoß von Treibhausgasen in Sektoren wie der Landwirtschaft kompensieren. Die EU will so bis 2050 klimaneutral sein, China und Indien ein bis zwei Jahrzehnte später. Offen bleibt indes, wie die Menschheit zukünftig eine mindestens ausgeglichene CO₂-Bilanz erreichen könnte. Experten schätzen, dass dafür bis Ende dieses Jahrhunderts Hunderte Milliarden Tonnen CO₂ aus der Atmosphäre entfernt werden müssen. Viele CDR-Maßnahmen sind allerdings kaum erprobt, haben einen unklaren Nutzen und bergen erhebliche ökologische Risiken. Landbasierte Maßnahmen beanspruchen teils riesige Flächen, können Wasserknappheit verschärfen und bedrohen Nachhaltigkeitsziele wie den Schutz der Artenvielfalt und die sichere Ernährung der Weltbevölkerung.

Wissenschaftliche Studien zeigen, dass Bäume zu pflanzen allein nicht genügen wird, um CO₂ dauerhaft im nötigen Maßstab zu binden. Zumal die Erde jedes Jahr noch immer mehr Wald verliert, als neuer nachwächst. Auch technische, energiehungrige Verfahren zum Einfangen des Gases sind lediglich ein Tropfen auf den heißen Stein. Auf Island etwa, wo es dank leicht zugänglicher Geothermie reichlich erneuerbare Energie gibt, ging im Mai 2024 die weltgrößte „Direct-Air-Capture“-Anlage in Betrieb: „Mammoth“, ein gigantischer CO₂-Filter. Doch selbst 10.000 dieser Anlagen würden kaum ein Prozent der globalen Emissionen wettmachen.

Meere als Endlager

Könnte die Lösung für das CO₂-Problem jenseits der Kontinente liegen, in den Weiten der Meere? Der Ozean ist der größte Kohlenstoffspeicher der Erde und hilft bereits heute, den Klimawandel zu bremsen. Er absorbiert rund ein Viertel der menschlichen CO₂-Emissionen, etwa zehn Milliarden Tonnen jährlich. Künftig, so die Hoffnung von Wissenschaft und Politik, soll er noch mehr für den Klimaschutz leisten. Staaten, Unternehmen und Stiftungen investieren daher viele Millionen an Forschungsgeldern. Die Ideen reichen von der Aufforstung von Mangrovenwäldern und Seegraswiesen über Algenfarmen und künstliche Planktonblüten durch Eisendüngung bis hin zu CO₂-Endlagern unter dem Meeresboden.

Der Meeresbiologe Riebesell setzt im Kampf gegen die Erderwärmung auf ein anderes Verfahren, das – zumindest auf dem Papier – großes Potenzial verspricht: die Ozean-Alkalinisierung. „Damit ließen sich theoretisch Milliarden Tonnen CO₂ pro Jahr aus der Atmosphäre entfernen und dauerhaft im Meer speichern“, sagt er. Gleichwohl wäre der Aufwand enorm. „Für jede Tonne CO₂, die der Ozean zusätzlich schlucken sollte, wären ein bis drei Tonnen Gestein nötig“, so Riebesell. Es müsste abgebaut, gemahlen und mit Schiffen verteilt oder in Reaktoren an Land im Meerwasser gelöst werden. An Gestein mangelt es auf der Erde nicht, aber es müssten ganze Berge pulverisiert werden. Auch Minenabraum oder Abfälle der Rohstoffindustrie sind denkbare Quellen für alkalische Minerale.

Um das Prinzip der Methode zu verstehen, hilft ein Exkurs über die Chemie der Meere: Gelangt CO₂ aus der Atmosphäre in den Ozean, reagiert es zum Großteil mit Wassermolekülen zu Kohlensäure. Diese wiederum zerfällt überwiegend zu Hydrogenkarbonat und Karbonat sowie Wasserstoff-Ionen (Protonen). Dank dieser Kettenreaktion wird das Treibhausgas chemisch gebunden und kann nicht wieder in die Luft entweichen. Doch je mehr der Ozean davon schluckt, desto mehr Protonen werden frei, die den pH-Wert senken, also den Säuregrad erhöhen. Zum einen verlangsamt das die CO₂-Aufnahme. Zum anderen greift die Säure die kalkhaltigen Schalen und Skelette von Korallen, Muscheln und Plankton an, was artenreiche Ökosysteme und marine Nahrungsnetze gefährdet.

Wie viel CO₂ der Ozean speichern kann, ohne dabei immer stärker zu versauern, hängt von seiner Alkalinität ab. So bezeichnen Experten die Menge an alkalischen Ionen im Meerwasser, die Protonen neutralisieren können. Sie entstehen vor allem durch Verwitterung von Gesteinen an Land und werden seit Urzeiten durch Regen und Flüsse ins Meer gewaschen. Langfristig, über Jahrhunderte bis Jahrtausende, stabilisieren Verwitterung und andere geologische Prozesse das Klima der Erde. Sie verwandeln CO₂ vornehmlich in harmloses Hydrogenkarbonat, „eine chemische Verbindung mit einer Halbwertszeit von rund 100.000 Jahren im Ozean“, so Riebesell.

Mit dem aktuellen Tempo des CO₂-Anstiegs in der Atmosphäre können diese Regelkreisläufe nicht Schritt halten. Deshalb verfolgen Forschende nun die Idee, die Verwitterung zu beschleunigen: Zu Pulver gemahlenes Gestein, das auf Äckern, an Stränden oder im offenen Meer verteilt wird, könnte relativ schnell viel CO₂ binden. Geologie im Zeitraffer.

Mesokosmen unter der Lupe

Im Kühlraum der Station am Raunefjord, wo sich Riebesells Team für das achtwöchige Experiment einquartiert hat, stapeln sich in deckenhohen Regalen Kanister mit Proben aus den Mesokosmen. In einem der Labore brummen Vakuumpumpen, Forschende in weißen Kitteln filtern hier einzellige Algen und organische Partikel aus den Proben. Zwei Türen weiter zählen sie Bakterien und analysieren die chemischen Parameter des Meerwassers. Nebenan wird Zooplankton unterm Mikroskop inspiziert, das sich in den Versuchsbehältern draußen im Fjord tummelt: Ruderfußkrebse, Flügelschnecken, Quallen sowie Dorsch- und Heringslarven.

Die Forschenden wollen zum einen herausfinden, ob der Ozean durch Zugabe alkalischer Minerale tatsächlich mehr CO₂ aufnimmt. Bisher beruhen Erkenntnisse dazu vor allem auf Computermodellen und Laborversuchen. Letztere zeigen etwa, dass sich nicht alle Gesteine gleichermaßen für die Alkalinisierung eignen. Manche setzen etwa durch unerwünschte chemische Reaktionen CO₂ frei, sodass der gewünschte Effekt verpufft. Also nehmen die Forschenden den Kohlenstoffkreislauf in ihren schwimmenden Versuchsbehältern penibel unter die Lupe: Wie viel CO₂ und Säurepuffer enthält das Wasser? Wie viel Kohlenstoff wird von Algen fixiert und in der Nahrungskette weitergereicht oder schneit als tote Biomasse in die Tiefe?

Zum anderen geht es um potenzielle Folgen für die Lebensgemeinschaften im Meer. „Ozean-Alkalinisierung ist ein rein chemisches Verfahren. Idealerweise wird das Ökosystem dadurch nicht beeinflusst“, sagt Riebesell. „Je nach Art des zugegebenen Minerals könnten jedoch bestimmte Algenarten profitieren.“ Das könnte andere Planktonspezies verdrängen und marine Nahrungsnetze verändern. Andere mögliche Probleme sind die Trübung des Meerwassers, wenn sich das Gesteinsmehl nicht vollständig auflöst, oder freigesetzte Spurenmetalle wie Nickel, die in hohen Konzentrationen toxisch sind.

Seit über einem Jahrzehnt reist Riebesell mit seinen Mesokosmen um den Globus. Sie trieben bereits im tropischen Pazifik vor Peru und Hawaii, im Atlantik vor Gran Canaria und in den arktischen Gewässern vor Spitzbergen. Lange hat er mit seinem mobilen Versuchslabor studiert, wie sich die Erwärmung und Versauerung des Ozeans auf das Leben im Meer auswirken. Heute sucht er nach Lösungen für solche Probleme. Auch aus Frust über den schleppenden Kampf gegen die Klimakrise, wie er sagt: „Wissenschaftler warnen seit Jahrzehnten vor den Folgen des CO₂-Anstiegs in der Atmosphäre. Ich war bei fünf Weltklimakonferenzen und hatte hinterher stets das Gefühl, dass unsere Warnungen keine Veränderungen in Politik und Gesellschaft bewirkten.“

Wie viele andere Wissenschaftler ist er überzeugt, dass die Pariser Klimaziele ohne Eingriffe in die Natur nicht mehr zu erreichen sind. „Es gibt große Vorbehalte gegen Climate Engineering und die Forschung auf diesem Gebiet. Dabei greifen wir durch unsere CO₂-Emissionen bereits massiv in Ökosysteme ein“, sagt er. Natürlich klinge es attraktiver, Seegraswiesen aufzuforsten, als die Ozeanchemie zu manipulieren. Und für den Erhalt der Biodiversität sei dies wichtig. „Aber bedeutende Mengen CO₂ werden wir dadurch nicht speichern. Für den Klimaschutz benötigen wir größere Hebel.“

Zugleich warnt Riebesell vor dem Einsatz von Geoengineering, bevor die Nutzen und Risiken nicht gründlich untersucht sind, unabhängig von finanziellen Interessen. Denn während Forschende diese für die Ozean-Alkalinisierung gerade erst zu verstehen beginnen, stehen mehrere Start-ups in Nordamerika bereits in den Startlöchern, das Verfahren anzuwenden. Es winkt sehr viel Geld: Der Verkauf von CO₂-Zertifikaten an Firmen, die klimaneutral werden wollen, könnte sich laut Analysen in den nächsten Jahrzehnten zu einem Multi-Milliarden-Markt entwickeln.

Eines dieser Unternehmen ist Planetary Technologies aus Kanada. In einem Pilotprojekt in Halifax, der Hauptstadt der Ostküstenprovinz Nova Scotia, hat die Firma im Oktober 2023 knapp 300 Tonnen Gesteinsmehl, das überwiegend aus alkalischem Magnesiumhydroxid besteht, mit dem Kühlwasser eines örtlichen Gaskraftwerks in eine Meeresbucht eingeleitet. Nach Schätzungen des Unternehmens sollte der Ozean dadurch gut 200 Tonnen CO₂ aufnehmen und – unter Berücksichtigung der Emissionen durch Abbau und Transport des Minerals – netto rund die Hälfte davon aus der Atmosphäre entfernt werden.

„Die tatsächliche CO₂-Aufnahme zu messen und zu verifizieren, ist jedoch nicht trivial“, sagt Katja Fennel von der Dalhousie Universität in Halifax. Die Ozeanografin leitet ein Team, das mit Geldern der gemeinnützigen „Carbon to Sea Initiative“ eine unabhängige Studie zu Planetary Technologies’ Alkalinisierungs-Projekt durchführt. Im Herbst 2023 haben die Forschenden das Kühlwasser des Kraftwerks mit einem pinken Farbstoff versetzt, um dessen Ausbreitung zu verfolgen, und parallel dazu Proben gesammelt. „In der Bucht herrschen Gezeiten, mit denen sich die Wasserchemie stark ändert“, erklärt Fennel. „Diese natürlichen Schwankungen erschweren es, die gespeicherte Menge an CO₂ zu bestimmen.“ Auf Basis von Computersimulationen mit einem Ozeanmodell, das Fennels Arbeitsgruppe entwickelt hat, und chemischen Analysen hat Planetary Technologies eine Netto-CO₂-Aufnahme von 138 Tonnen während des Pilotprojekts errechnet, wie das Unternehmen kürzlich bekannt gab.

Erste Ergebnisse in Norwegen

Nach fast acht Wochen endet das Mesokosmen-Experiment im Raunefjord. Die Fischlarven in den Plastikschläuchen sind inzwischen zu kleinen Fischen herangewachsen. Bis die Forschenden alle Daten ausgewertet haben, wird es dauern. Doch es gibt bereits erste Erkenntnisse: So konnten sie nach der Alkalinisierung nur eine geringe CO₂-Aufnahme des Meerwassers messen, bei Versuchsende hatte es sein Potenzial nicht annähernd ausgeschöpft.

Grund dafür ist vermutlich ein relativ langsamer Gasaustausch zwischen Atmosphäre und Ozean. Für eine wirksame CO₂-Speicherung müsste man Gesteinsmehl daher in Regionen verteilen, wo sich das Treibhausgas möglichst rasch im Meer löst und alkalinisierte Wassermassen lange genug an der Oberfläche bleiben, ehe sie mit tieferen Schichten vermischt werden oder absinken. Computersimulationen zeigen, dass etwa der subpolare Südozean oder der Atlantik vor Brasilien infrage kämen. Auch die Auftriebsgebiete an den Küsten von Peru und Kalifornien, wo CO₂-reiches Wasser aus der Tiefsee aufströmt, sind mögliche Einsatzgebiete. Dort ließe sich durch Alkalinisierung verhindern, dass der Ozean das Treibhausgas an die Atmosphäre abgibt.

Die Planktongemeinschaft hat unterschiedlich auf die Zugabe der alkalischen Minerale reagiert. In den mit Silikat angereicherten Versuchen haben sich Kieselalgen, die Silikatschalen bilden, stärker vermehrt als in jenen mit Kalkzugabe. Die erhöhte Alkalinität hatte jedoch keinen signifikanten Einfluss auf das Algenwachstum. Auch für die Entwicklung der Dorsch- und Heringslarven konnte das Forschungsteam keine negativen Auswirkungen durch die veränderte Wasserchemie in den Mesokosmen feststellen.

Für eine abschließende Bewertung sei es zu früh, so Riebesell. Aber die vorläufigen Ergebnisse zeigten begrenzte Risiken der Ozean-Alkalinisierung für marine Ökosysteme. Zu einem ähnlichen Fazit kommen auch andere wissenschaftliche Studien. Weitere Aufschlüsse über die Effizienz und Umweltsicherheit der potenziellen Klimaschutzmethode erhoffen sich der Meeresbiologe und seine Forscherkollegen von Labor- und Feldversuchen, die unter anderem mit elf Millionen Dollar von der „Carbon to Sea Initiative“ gefördert werden. Im Herbst 2024 führten sie erneut ein Mesokosmen-Experiment in der Kieler Förde durch.

Ob die Ozean-Alkalinisierung oder andere Geoengineering-Verfahren in Zukunft großflächig zum Einsatz kommen, ist ungewiss. Die Entwicklung und Gefahrenabschätzung dürften noch Jahre oder Jahrzehnte beanspruchen. Wissenschaftler mahnen daher, sich beim Kampf gegen die Erderwärmung nicht darauf zu verlassen: Solange die globalen CO₂-Emissionen nicht massiv sinken, seien alle Versuche, das Gas wieder aus der Atmosphäre zu holen, zum Erreichen der Klimaziele nutzlos.