Kohlendioxid schneller aus der Atmosphäre holen

Dass Steine Kohlendioxid speichern können, ist seit Langem bekannt. Neu ist jetzt allerdings das Wissen darüber, um wie viel rascher dieser Prozess unter bestimmten Bedingungen ablaufen kann. Dem Forschungsteam um Giada Franceschi und Ulrike Diebold, beide vom Institut für Angewandte Physik der Technischen Universität Wien (TU), ist kürzlich folgender Nachweis gelungen: CO₂ muss gar nicht erst über langwierige chemische Umwege in Gestein aufgenommen werden, sondern kann mithilfe von Wasser unmittelbarer und dadurch viel schneller in festes Karbonat umgewandelt werden. Mit Blick auf die Klimaproblematik ist diese Erkenntnis für die Menschheit wohl von entscheidender Bedeutung. Denn die dauerhafte Speicherung von Kohlendioxid auf diese Weise wäre eine entscheidende Technologie, um die Erderwärmung einzudämmen.

Ausgangslage

Bislang ging die Wissenschaft davon aus, dass die Umwandlung von CO₂ in Gestein ein sehr langsamer Vorgang ist. Nach der klassischen Vorstellung muss sich Kohlendioxid zunächst in Wasser lösen. Dabei entstehen geladene Teilchen, sogenannte Ionen. Gleichzeitig müssen sich auch die Bestandteile des umgebenden Gesteins langsam auflösen. Erst danach kann sich neues Karbonatgestein bilden, in dem der Kohlenstoff dauerhaft gespeichert wird. „Das ist allerdings ein sehr träger Prozess“, sagt die Wissenschaftlerin Giada Franceschi. Dass es auch schneller gehen kann, hat die Forscherin mit ihrer Kollegin, Prof. Ulrike Diebold, nun in einem maßgebenden Projekt nachgewiesen. Sie haben einen direkteren und damit auch schnelleren Weg gefunden, um den Kohlenstoff aus dem Kohlendioxid in bestimmte Mineralien einzubauen. Dabei spielt Wasser eine wesentliche Rolle.

Wasser als Vermittler

Die Grundannahme der beiden Wissenschafterinnen: Wasser könnte an der Oberfläche bestimmter Mineralien eine Art Vermittlerrolle übernehmen und den direkten Einbau von CO₂ ermöglichen — ohne dass sich das Gestein vorher auflösen muss.

Diesen bislang nur theoretisch angenommenen Prozess konnte das Wiener Forschungsduo nun experimentell anhand des Minerals Wollastonit, einem kalziumhaltigen Silikat, das sich besonders gut für solche Reaktionen eignet, nachweisen. Möglich wurde dieser Beweis durch die hochauflösende Rasterkraftmikroskopie. Damit lassen sich chemische Vorgänge auf atomarer Ebene sichtbar machen. „Wir konnten direkt beobachten, wie sich Kohlendioxid an die Mineraloberfläche anlagert“, sagt Diebold. Entscheidend dabei ist die Wirkung des Wassers. Normalerweise ist ein Kohlendioxid-Molekül streng linear aufgebaut: Zwei Sauerstoffatome sitzen exakt gegenüberliegend am Kohlenstoffatom. Kommt jedoch eine dünne Wasserschicht auf der Oberfläche des Minerals hinzu, verändert sich diese Geometrie. „Wasser kann das CO₂-Molekül dann regelrecht verbiegen. Dadurch ändern sich die chemischen Eigenschaften des Moleküls grundlegend. Erst in dieser veränderten Form kann sich Kohlendioxid direkt an die Oberfläche des Wollastonits binden. Dabei genügt schon eine winzige Menge Wasser, um die gesamte Wechselwirkung zwischen CO₂ und dem Mineral zu verändern“, so Diebold.

Effektiver CO₂-Speicher

Die Forscherinnen gehen davon aus, dass dieser Mechanismus nicht nur bei Wollastonit funktioniert, sondern auch bei anderen silikathaltigen Mineralien und die natürliche CO₂-Bindung dadurch deutlich effizienter machen.

Für die Klimaforschung eröffnet das, wie anfangs erwähnt, neue Möglichkeiten. „Wenn wir in Zukunft CO₂ aus der Atmosphäre holen und dauerhaft für unbegrenzte Zeit speichern wollen, dann müssen wir es in festes Gestein umwandeln“, sagt Diebold. Die Messungen würden nun erstmals zeigen, welche Prozesse dabei auf atomarer Ebene tatsächlich ablaufen. Die Forschung aus Wien liefert damit nicht nur neue Einblicke in geologische Vorgänge, sondern könnte langfristig auch helfen, Technologien zur CO₂-Speicherung gezielt zu verbessern — und damit einen wesentlichen Beitrag im Kampf gegen die schwelende Klimakrise leisten.