Die dauerhafte Bindung von Kohlendioxid im Gestein gilt als eine der sichersten Methoden im Klimaschutz. Lange Zeit hielten Fachleute diesen Prozess für extrem träge. Neue Untersuchungen der TU Wien belegen nun das Gegenteil: Unter bestimmten Bedingungen nimmt das CO₂ eine atomare Abkürzung.
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Wenn Beobachtungen aus der Praxis nicht zur Theorie passen
Werden Treibhausgase in den tiefen Untergrund gepresst, entscheidet das Tempo der Mineralisierung über die Sicherheit und Effizienz des Speichers. Bisherige Modelle zur CCS-Technologie (Carbon Capture and Storage) basierten auf der Annahme, dass die vollständige Umwandlung in festes Karbonatgestein Jahrzehnte oder gar Jahrhunderte in Anspruch nimmt. Diese Trägheit galt als technologisches Nadelöhr.
Doch Beobachtungen aus der Praxis passten nicht zur Theorie. Bei industriellen Pilotprojekten zeigte sich immer wieder, dass die Mineralisierung überraschend schnell abläuft. Ein Team der TU Wien um die Physikerinnen Ulrike Diebold und Giada Franceschi hat nun den Mechanismus entschlüsselt, der dieses Tempo ermöglicht. Die Ergebnisse, die mittels hochauflösender Rasterkraftmikroskopie gewonnen wurden, rücken die atomare Interaktion an Gesteinsoberflächen in ein völlig neues Licht.
Blick auf den klassischen Weg
Bisher galt ein zweistufiges Modell als Standard: CO₂ löst sich im Wasser, bildet geladene Teilchen, während sich gleichzeitig das umgebende Gestein teilweise auflöst. Erst aus diesen Bestandteilen entsteht ein stabiles Karbonatmineral. Chemisch ist das plausibel, aber langsam.
In realen Speicherprojekten zeigt sich jedoch ein anderes Bild. Dort wird CO₂ in den Untergrund gepresst und überraschend schnell gebunden. „Tests mit industrieller CO₂-Injektion in den Boden zeigen, dass 60 % des Kohlenstoffs schon innerhalb von zwei Jahren in Mineralien gebunden werden können“, sagt Giada Franceschi. Mit dem klassischen Modell lässt sich dieses Tempo kaum erklären.
Wasser verändert die Reaktion
Das Team untersuchte das Mineral Wollastonit mit hochauflösender Rasterkraftmikroskopie. Dabei wurde sichtbar, was auf atomarer Skala passiert. Entscheidend ist eine dünne Wasserschicht auf der Gesteinsoberfläche. Sie sorgt nicht einfach nur dafür, dass CO₂ gelöst wird. Sie verändert die Reaktion selbst.
Ein CO₂-Molekül ist normalerweise linear aufgebaut. In dieser Form reagiert es nur begrenzt mit festen Oberflächen. Liegt jedoch Wasser auf dem Mineral, wird das Molekül leicht verbogen. Genau das macht es reaktiver. „Wasser auf der Wollastonit-Oberfläche kann das Kohlendioxid-Molekül verbiegen – und dadurch ändern sich seine chemischen Eigenschaften“, erklärt Ulrike Diebold.
Direkter Weg ins Gestein
Durch diese Veränderung kann CO₂ direkt an der Oberfläche des Minerals anlagern und dort eine feste Bindung eingehen. Das Gestein muss sich dafür nicht erst auflösen.
Genau das macht den Unterschied: Der sonst notwendige, langsame Zwischenschritt entfällt. CO₂ wird so deutlich schneller in ein stabiles Karbonat eingebaut.
„Doch schon eine winzige Menge Wasser genügt, um die Wechselwirkung zwischen CO₂ und Wollastonit völlig zu verändern“, so Franceschi.
Oberfläche wird zum limitierenden Faktor
Für die technische Anwendung ist ein Punkt zentral: die Oberfläche. Die Reaktion läuft an Grenzflächen ab, dort, wo CO₂, Wasser und Mineral aufeinandertreffen. Je größer diese Kontaktfläche ist, desto schneller kann CO₂ gebunden werden.
Das erklärt auch Unterschiede zwischen Gesteinen:
- feinkörnige oder poröse Strukturen reagieren schneller
- kompakte Gesteine bieten weniger aktive Oberfläche
- Wasserverfügbarkeit wird zum kritischen Parameter
Damit verschiebt sich der Fokus. Nicht nur das Gestein selbst ist entscheidend, sondern dessen mikroskopische Struktur.
Konsequenzen für CO₂-Speicher
Für die CO₂-Speicherung im Untergrund hat das direkte Folgen. Die Mineralisierung gilt als besonders dauerhafte Form der Speicherung, weil der Kohlenstoff chemisch fest gebunden ist.
Der jetzt beobachtete Mechanismus deutet darauf hin, dass dieser Prozess schneller ablaufen kann als bisher modelliert. Das könnte erklären, warum einige Speicherprojekte schneller wirken als erwartet. Der Effekt dürfte zudem nicht auf Wollastonit beschränkt sein. Viele Silikatminerale besitzen ähnliche Oberflächen, an denen Wasser die Reaktivität von CO₂ verändert.
Für die Praxis heißt das: Injektionsstrategien lassen sich gezielter auslegen – etwa durch Kontrolle von Feuchtigkeit, Druck oder Gesteinsstruktur. „Unsere Messungen zeigen, welche Effekte auf atomarer Skala sich dafür einsetzen lassen“, sagt Ulrike Diebold.
