Die Natur macht es vor: Schon seit Jahrmillionen bindet die chemische Verwitterung Kohlendioxid aus der Luft und speichert den Kohlenstoff in Form von Kalk (CaCO3), Dolomit und weiteren Carbonatgesteinen. Allerdings dauert diese natürliche CO2-Mineralisierung Jahrhunderte bis Jahrtausende. Inzwischen haben Projekte unter anderem auf Island und in den USA jedoch demonstriert, dass sich diese zur „In-Situ-Mineralisierung“ beschleunigen lässt. Dabei wird CO2 aus Abgasen oder Luft abgeschieden, in Wasser gelöst und in Basaltformationen eingeleitet.
CO2-Abscheidung aus dem Ozean statt der Luft
Doch es geht auch anders: Statt das CO2 aus der Luft einzufangen und zu mineralisieren, könnte man es auch aus dem Meerwasser abscheiden. Denn die Ozeane sind die wichtigste CO2-Senke der Erde, sie nehmen rund 30 Prozent des von uns Menschen emittierten Kohlendioxids auf. Das gelöste CO2 lässt sich elektrochemisch in Calciumcarbonat (CaCO3) umwandeln und ausfällen, wenn der pH-Wert des Meerwassers durch Elektroden ins Alkalische verschoben wird.
„Das elektrochemische Direct Ocean Capture (e-DOC) eröffnet einen gangbaren Weg zur Dekarbonisierung im Gigatonnen-Maßstab“, erklären Inhwan Park vom Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) und seine Kollegen. Der große Vorteil: Wird gelöstes CO2 aus dem Meerwasser entfernt, kann das Wasser neues CO2 aus der Luft aufnehmen. Dies trägt dazu bei, die klimatische Pufferwirkung des Ozeans zu erhalten. Das Verfahren ist zudem weniger energieaufwendig als das Direct Air Capture (DAC), das Abscheiden des Treibhausgases aus der Luft.
Der Haken jedoch: Die bisher eingesetzten Elektroden für die elektrochemische Ausfällung von Calciumcarbonat aus Meerwasser sind wenig effektiv, denn schon nach kurzer Zeit bedeckt sich ihre Oberfläche mit frisch gebildetem Kalkstein - und das verhindert die weitere Ausfällung.
Wasserdurchströmte Hohlfaser-Elektrode als Mineralisierer
Eine Lösung für dieses Problem könnten nun Park und seine Kollegen gefunden haben. Sie haben eine hohle Elektrodenfaser entwickelt, deren Konstruktion die Anlagerung von Kalkstein dorthin verlegt, wo er nicht stört: Er bildet sich außerhalb der Elektrodenoberfläche und nicht direkt auf ihr, gleichzeitig wirken die bei der Reaktion freiwerdenden Wasserstoffblasen wie eine Bürste. Sie sprudeln die poröse Elektrodenoberfläche frei und verhindern so Mineralablagerungen.
Aufgebaut ist das Meerwasser-Mineralisierungssystem aus drei Komponenten: Die Außenhülle des Ensembles wird von einer porösen Edelstahl-Hohlfaser gebildet. Sie dient als Arbeitselektrode: „Wird elektrische Spannung angelegt, entstehen dort aus Wasser Hydroxid-Ionen (OH-), die den lokalen pH-Wert erhöhen“, erklärt das Team. Dies fördert die Ausfällung von Calciumcarbonat und Magnesiumhydroxid (Mg(OH)2) im nahen Umfeld.
Das Innere der Hohlfaser-Elektrode ist mit einer Ionentauschermembran aus dem Polymer Nafion ausgekleidet. Im Hohlraum strömt Meerwasser an zentralen Platin-Iridium-Drähten vorbei, die als Gegenelektrode dienen. An ihnen wird der aus dem Wasser freigesetzte Wasserstoff frei und sprudelt durch die poröse Edelstahlhülle nach außen. Für einen zusätzlichen Reinigungseffekt wird alle zwei bis drei Stunden der normale Meerwasserseinstrom für eine Zehntelsekunde stark erhöht. Dieser Hochdruckpuls spült die Elektroden von Anlagerungen frei, wie Park und sein Team erklären.
Aufbau der Hohlfaser-Elektrode zur CO2-Mineralisierung aus Meerwasser und Funktionsprinzip. — © KAIST
Praxistest entfernt 80 bis 90 Prozent des gelösten CO2
Wie gut diese CO2-Mineralisierung aus Meerwasser in der Praxis funktioniert, testeten die Forscher sowohl mit simuliertem Meerwasser im Labor als auch mit echtem Meerwasser an der Küste der koreanischen Jeju-Insel. „Während der 100 Stunden dauernden Testzeit alkalinisierte die HEFA-Elektrode ein Volumen von 40 Litern Meerwasser und demonstrierte eine ausgezeichnete Potenzialstabilität unter konstanter Stromstärke von rund 20 Milliampere pro Quadratzentimeter“, berichten Park und sein Team.
Das Elektrodensystem entfernte 80 bis 90 Prozent des gelösten anorganischen Kohlenstoffs aus dem Meerwasser und fällte ihn größtenteils als Calciumcarbonat aus. Dabei blieb die innere Elektrodenoberfläche komplett frei von Mineralablagerungen und auch an der Außenseite hatte sich nur wenig Calciumcarbonat und Brucit angesammelt. Diese entfernten die Forscher alle 24 Stunden durch Ultraschall und eine kurze Säurespülung. Im Test auf der Jeju-Insel arbeitete das System dadurch mehr als 120 Stunden lang ohne starken Abfall der Leistung.
Vorteilhaft auch: Die CO2-Mineralisierung verbrauchte bis zu 54 Prozent weniger Strom als vergleichbare Technologien, wie Park und seine Kollegen berichten. „Parallel entstehen wertvolle Nebenprodukte wie Magnesiumhydroxid und hochreiner Wasserstoff, die die Stromkosten ausgleichen können“, erklären sie.
Auch auf Schiffen und Offshore-Plattforen einsetzbar
„Diese Technologie kann das im Meerwasser gelöste CO2 mineralisieren und so verhindern, dass es wieder zurück in die Atmosphäre gelangt“, sagt Seniorautor Dong-Yeun Koh vom KAIST. „Das ermöglicht eine permanente Speicherung des Treibhausgases und hilft dem Ozean, weiteres CO2 zu absorbieren.“ Das System könnte marine CO2-Capture-Technologien rentabel und skalierbar machen und so zum Klimaschutz beitragen.
Wegen der geringen Größe und modularen Bauweise des Elektrodensystems könnte es relativ leicht in bestehende Anlagen integriert werden. Selbst auf Schiffen oder Offshore-Plattformen könnte diese marine CO2-Mineralisierung zum Einsatz kommen, wie die Forschenden erklären.
Quelle: Inhwan Park (Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Daejeon,) et al., Advanced Energy Materials, 2026; doi: 10.1002/aenm.71205
