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Kohlendioxid (CO₂), das bei der Verbrennung von fossilen Energieträgern frei wird, ist der bedeutendste Treiber der Klimaerwärmung. Um die weitere Anreicherung dieses Treibhausgases in der Atmosphäre zu bremsen, muss dessen Ausstoss verringert werden – dies ist das Ziel verschiedenster Klimaschutzmassnahmen. Daneben gibt es aber auch Projekte, die darauf abzielen, das bereits in die Atmosphäre gelangte CO₂ wieder aus dieser zu holen und langfristig zu binden.
Zu diesen Projekten gehört SeaChange, das seit zwei Jahren von Wissenschaftlern um Gaurav Sant, Direktor des Institute for Carbon Management (ICM) der University of California (UCLA), sowie von Fachleuten der UCLA Samueli School of Engineering vorangetrieben wird. Ein erstes Paper dazu erschien bereits 2021 im Fachjournal «ACS Sustainable Chemistry & Engineering». Wie der Name des Projekts, SeaChange, schon andeutet, geht es dabei aber nicht darum, das CO₂ direkt aus der Luft zu holen, sondern aus dem Meerwasser.
Die Ozeane, die mehr als 70 Prozent der Erdoberfläche bedecken, speichern nämlich sehr viel CO₂. Die im Meerwasser gelöste Menge an Kohlenstoff ist 20 Mal grösser als jene an Land – in der Vegetation und in den Böden – gespeicherte Menge, und sogar 50 Mal grösser als jene in der Atmosphäre. Damit sind die Weltmeere – einmal abgesehen von der Lithosphäre der Erde, also der Erdkruste und dem äussersten Teil des Erdmantels – die weitaus grösste Kohlenstoffsenke des Planeten. Pro Volumeneinheit kann Meerwasser ungefähr 150 Mal mehr CO₂ speichern als Luft.
Und die Ozeane enthalten nicht nur CO₂, sie absorbieren es auch aus der Atmosphäre – so von 1994 bis 2007 rund 30 Prozent aller anthropogenen CO₂-Emissionen. Hinzu kommt, dass sie zudem einen beträchtlichen Teil der durch die Anreicherung von Treibhausgasen in den letzten Jahrzehnten erzeugten Wärme aufnehmen – mehr als 90 Prozent. Die Ozeane sind daher ein wichtiger Puffer bei der Klimaveränderung. Diese Pufferfunktion ist allerdings in Gefahr: Die Ozeane stehen unter Druck; sie versauern durch den zunehmenden CO₂-Eintrag, was unter anderem die Korallenriffe schädigt. Zudem verringern die steigenden Temperaturen ihre CO₂-Speicherkapazität.
Das Forscherteam der UCLA hat sich zum Ziel gesetzt, diese Kapazität wieder zu erhöhen, indem sie ein elektrochemisches Verfahren anwenden, das grosse Mengen des bereits im Meerwasser enthaltenen CO₂ wieder daraus entfernt. Ozean und Atmosphäre befinden sich nämlich in einer Art Gleichgewichtszustand – wird CO₂ aus dem Wasser entnommen, zieht der Ozean mehr davon aus der Luft.
Die Wissenschaftler vergleichen den Prozess mit dem Auswringen eines Schwamms – danach kann das Meerwasser wieder mehr CO₂ aufnehmen, so wie ein Schwamm das Wasser erneut aufsaugt. «Wenn man das CO₂, das sich in den Ozeanen befindet, herausnehmen kann, erneuert man im Grunde ihre Fähigkeit, CO₂ aus der Atmosphäre aufzunehmen», erläutert Sant.
Nun hat im Hafen von Los Angeles der erste praktische SeaChange-Versuch begonnen. Auf einem 30 Meter langen Schiff haben die Wissenschaftler eine schwimmende Minifabrik voller Röhren und Tanks gebaut. Die Anlage pumpt Meerwasser auf und setzt es elektrisch geladenen Teilchen aus. Die Elektrolyse löst chemische Reaktionen aus, die das im Meerwasser gelöste CO₂ mit ebenfalls im Wasser gelöstem Magnesium und Kalzium verbinden. So entstehen Magnesit und Kalziumkarbonat (Kalkstein, Kreide und Marmor, aber auch die Schalen von Schalenweichtieren wie etwa Muscheln bestehen aus diesem Mineral). Um eine Tonne CO₂ zu entfernen, müssen etwa 220 Tonnen Wasser durch das System fliessen.
Die Mineralien liegen danach in Form eines feinen weissen Pulvers vor, das zermahlenen Muscheln ähnelt. Dieses Pulver wird anschliessend in den Ozean zurückgeworfen, wo es sich auf dem Meeresboden absetzen kann und in fester Form zehntausende von Jahren überdauert. Damit hindert das Verfahren das CO₂ daran, wieder in die Atmosphäre zu gelangen. Zugleich wird auch das weitgehend von CO₂ befreite Wasser zurück ins Meer gepumpt, wo es neues CO₂ aus der Luft aufnehmen kann.
Dieser Prozess soll dem maritimen Leben nicht schaden – laut Sant verhindert ein Filtersystem, dass Meereslebewesen mit dem Meerwasser angesaugt werden. Allerdings betonen die Forscher, dass durch weitere Untersuchungen noch bestätigt werden muss, dass das Verfahren tatsächlich völlig unschädlich ist, bevor an eine Anwendung im grossen Massstab zu denken ist.
Das neue Verfahren weist noch einen weiteren Vorteil auf, quasi einen Kollateralnutzen: Als Nebenprodukt fällt Wasserstoff an, der wiederum als Energieträger verwendet werden kann. Pro 220 Tonnen Meerwasser, aus denen wie erwähnt eine Tonne CO₂ herausgeholt werden kann, entstehen rund 35 Kilogramm Wasserstoff. Dieser könnte etwa zur Energieversorgung des Verfahrens genutzt werden: Das System benötigt gemäss Sant etwa zwei Megawattstunden Energie pro Tonne entfernten Kohlendioxids; der dabei erzeugte Wasserstoff könnte rund die Hälfte davon decken.
Eine ähnliche Anlage wie im Hafen von Los Angeles wird derzeit auch in Singapur getestet. Sant hofft, dass die Ergebnisse der Testläufe zum Bau grösserer Testanlagen führen werden, die bis 2025 in Betrieb gehen sollen. Diese schwimmenden Fabriken sollen jedes Jahr tausende von Tonnen CO₂ aus den Ozeanen holen. Erweisen sie sich als erfolgreich, sollen dann kommerzielle Anlagen gebaut werden, die jährlich Millionen von Tonnen CO₂ aus dem Meerwasser entfernen können und so tatsächlich den CO₂-Gehalt in der Atmosphäre beeinflussen.
Das alles ist nicht gratis. Zwar ist das Verfahren von SeaChange einfacher und billiger als die bisherigen Formen von CO₂-Speicherung, bei denen das CO₂ direkt aus der Luft geholt – bekannt unter dem Stichwort Carbon Dioxide Removal (CDR) – und in den Untergrund gepumpt werden muss. Doch auch SeaChange kostet Geld – deshalb hat Sant das Start-up-Unternehmen Equatic gegründet, das die Finanzierung der neuen Technologie sichern soll. Dies soll durch den Verkauf von CO₂-Gutschriften an Hersteller, die ihre Emissionen ausgleichen wollen, geschehen. Als Ziel visiert Equatic einen Preis von deutlich weniger als 100 US-Dollar pro entfernter Tonne CO₂ an. Zum Vergleich: Derzeit kostet es etwa 200 Dollar, um eine Tonne CO₂ aus der Luft zu entfernen.
Die Kosten könnten dennoch astronomisch werden: Klimatologen gehen davon aus, dass ab 2050 jedes Jahr mindestens 10 Milliarden Tonnen CO₂ aus der Atmosphäre entfernt werden müssten, um das Klimaziel von maximal zwei Grad Erwärmung zu erreichen. Wissenschaftler des Mercator Research Institute on Global Commons and Climate Change in Berlin schätzen den Bedarf in einer vergangenen Januar publizierten Übersichtsstudie über Projekte zur CO₂-Abscheidung auf 450 Milliarden bis über eine Billion Tonnen CO₂ bis zum Jahr 2100.
«Um das zu erreichen, muss die Fähigkeit, CO₂ aus der Atmosphäre zu entfernen, 30 Jahre lang um 30 Prozent pro Jahr wachsen, ähnlich wie die Wind- und Solarenergie zugenommen hat», erklärt der Wissenschaftler Gregory Nemet von der University of Wisconsin-Madison, der an der Übersichtsstudie beteiligt war. Die SeaChange-Technologie hält er für aussichtsreich: «Sie passt in die Kategorie der vielversprechenden Lösungen, die gross genug sind, um klimarelevant zu werden.»
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