CO2-Abscheidung und -Speicherung mit nanometergroßen ophiolitischen Gesteinspartikeln

Ihre hohe Reaktivität und breite Verfügbarkeit machen ophiolithische Gesteine zu einem idealen Kandidaten für die CO2-Abscheidung und -Speicherung. Im CO2NOR-Projekt, für das Material aus dem weltweit besterhaltenen Ophiolith-Komplex gezogen und ein als "Kugelmahlen" bekanntes Verfahren angewandt wird, werden neuartige Nanomaterialien gebaut, um eine sichere, langfristige Methode zum Abscheiden und Speichern von CO2 (CO2 Capture and Storage; CCS) zu schaffen, die besonders der Bauindustrie entgegenkommen wird.

Klimawandel und Umwelt

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Ophiolithe sind Rückstände uralter ozeanischer Kruste und des oberen Erdmantels, die durch tektonische Aktivität angehoben und an den Rand der Kontinente getragen und/oder von Gebirgsgürteln aufgenommen wurden. Das Projekt CO2NOR (Carbon dioxide storage in nanomaterials based on ophiolitic rocks and utilization of the end-product carbonates in the building industry) konzentriert sich auf ophiolitische Gesteine aus dem Troodos-Gebirge in Zypern – der längsten Gebirgskette des Landes. "Der Troodos-Ophiolith ist der intakteste der Welt", meint Dr. Ioannis Rigopoulos, ein mit einem Stipendium geförderter Postdoktorand an der Universität Zypern. "Er kommt einem vollständigen Ophiolithkomplex am nächsten, der von oben bis unten aus einem klar definierten Sequenz aus ultramafischem, mafischem, hypabyssischem und Extrusionsgestein." Dieser Komplex ist typisch für das, was ophiolitische Gesteine besonders attraktiv für CO2-Abscheidung und -Speicherung macht, wie Dr. Rigopoulos erklärt: "Bei den Reaktionen zwischen diesen Gesteinen und CO2 werden Karbonatmineralien gebildet (durch mineralische Karbonisierung), die über geologische Zeitspannen hinweg stabil bleiben. Von daher eliminiert die Bindung durch mineralische Karbonisierung jedes Risiko eines Austritts zurück in die Atmosphäre. Außerdem sind die weltweit breite Verfügbarkeit und die niedrigen Kosten der ophiolitischen Lithologien bedeutsame Faktoren, wenn man in Betracht zieht, dass wir auf diese Gesteine angewiesen sind, um dem weltweiten Problem des Klimawandels entgegenzuwirken." Damit das gelingt, werden in CO2NOR mit dem Kugelmahlverfahren – eine Technik, mit der ein Material in ultrafeines Pulver gemahlen wird – ultramafische und mafische ophiolitische Gesteine in Nanomaterialien umgewandelt. Durch die Anwendung dieser Technik zur Verringerung der Partikelgröße von ophiolitischen Gesteinen bis in den Nanobereich hinein beabsichtigten Dr. Rigopoulos und sein Team, die Reaktionen zwischen ultramafischen/mafischen Gesteinen und CO2 zu beschleunigen, genauer gesagt den natürlichen Vorgang, der sich über geologische Zeitspannen hinweg auf die CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre auswirkt. "Unsere Ergebnisse zeigen klar, dass wir die Kohlenstoffspeicherkapazität von ultramafischen und mafischen Gesteinen erheblich erhöhen können, indem wir die Partikelgröße in den Nanometerbereich senken", meint Dr. Rigopoulos. "Aufgrund der Tatsache, dass große Mengen von Ophiolithen auf fast jedem Kontinent vorkommen, glauben wir, dass mithilfe dieser CSS-Methode ein bedeutender Anteil des jährlich in die Atmosphäre freigesetzten CO2 gebunden werden könnte." Die Universität Zypern führte zudem Experimente an Abfallmaterialien aus Steinbrüchen im Troodos-Ophiolith durch, um die Nachhaltigkeit des Vorgangs hervorzuheben. "Bis jetzt haben wir mehr als 100 Experimente zum Kugelmahlverfahren an einer Vielzahl von Steinen und Abfallmaterialien durchgeführt und dabei bei jedem die idealen Bedingungen zum Kugelmahlen bestimmt. Die Ergebnisse der Experimente haben deutlich gemacht, dass sogar gemahlene Abfallmaterialien aus Ophiolith-Steinbrüchen als Rohstoff für die Ex-Situ-Mineralisierung von CO2 genutzt werden könnten", erklärt Dr. Rigopoulos. Von den Baumaterialien der Zukunft bis Geoengineering Die aus diesem Vorgang entstehenden Nanomaterialien wurden erfolgreich in der Produktion von umweltfreundlichen, nano-modifizierten Baumaterialien verwendet. Diese Verbundwerkstoffe – mit nanostrukturiertem Steinbruchabfall angereicherte kalkhaltige Mörtelarten – weisen verbesserte technische Eigenschaften auf und könnten sich zur CO2-Sequestrierung eignen. Dr. Rigopoulos hofft, dass dies bei der Bauindustrie, die einen der größten CO2-Emittenten darstellt, Anklang finden wird. Die nanostrukturierten Steinbruchabfälle können als Ersatz für Kalkbindemittel verwendet werden, dessen Produktion für einen wesentlichen Teil dieser Emissionen verantwortlich ist. Aber Dr. Rigopoulos und sein Team haben nicht vor, an dieser Stelle aufzuhören: "Zusammen mit unseren Partnern am National Centre for Scientific Research (CNRS) in Frankreich, haben wir einige Experimente entwickelt, die mit dem neuen Bereich des Geoengineering, oder auch Climate Engineering, zusammenhängen – dem groß angelegten menschlichen Eingreifen in die natürlichen Systeme der Erde als Gegenmaßnahme zum Klimawandel. Die Ergebnisse dieser Experimente waren äußerst vielversprechend." Konkret untersuchte das Team den potenziellen CO2-Abbau direkt aus der Atmosphäre durch die erhöhte Verwitterung von nanoskaligen Peridotiten und Basalten im Meerwasser. Die Ergebnisse zeigten, dass die Verwitterungsrate von Peridotiten in der Meeresumwelt mit dem Kugelmahlverfahren erheblich erhöht werden kann, was die dauerhafte Lagerung von CO2 als umweltschonende Karbonatminerale fördert. "Es ist erwähnenswert, dass dieser beschleunigte Verwitterungsprozess den Kohlenstoff direkt aus der Atmosphäre entfernt und damit die Sammlung und Lagerung in einem einzigen Schritt bietet. In diesem Konzept dient als CO2-Speicher der Ozean, der über 70 % der Erdoberfläche bedeckt. Die verstärkte Verwitterung von nanoskaligen Peridotiten im Meerwasser kann außerdem auch die Versauerung der Ozeane abwenden, die gravierende Folgen für die marinen Ökosysteme hat", betont Dr. Rigopoulos. In Zukunft hofft man bei der Universität Zypern darauf, auf diese Forschung aufbauen und das Verständnis von nanoskaligen Gesteinsmaterialien verbessern zu können. Dies wird weitere Untersuchungen zur langfristigen Effizienz des vorgeschlagenen CCS-Ansatzes umfassen, wobei hinsichtlich des Geoengineerings ein Schwerpunkt auf dessen Auswirkungen auf die Meereslebewesen liegen würde.

Schlüsselbegriffe

CO2NOR, Ophiolithe, Kugelmahlen, Nanomaterialien, CCS, ophiolitische Gesteine, Troodos-Gebirge, ultramafisch, mafisch, CO2, Kohlenstoffbindung, Steinbruchabfall, Bauindustrie, Climate Engineering, Geoengineering, Peridotite, Meereslebewesen

Carbon dioxide storage in nanomaterials based on ophiolitic rocks and utilization of the end-product carbonates in the building industry

CO2-Abscheidung und -Speicherung mit nanometergroßen ophiolitischen Gesteinspartikeln

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