Beschleunigte Verwitterung (engl. Enhanced Weathering, EW) – auch Enhanced Rock Weathering (ERW) genannt – ist ein geochemischer Prozess, der darauf abzielt, natürliche Verwitterungsprozesse zu beschleunigen. Bei der natürlichen Verwitterung von silikatischen Mineralen wird Kohlenstoffdioxid (CO2) aus der Atmosphäre entzogen und langfristig in Form von festen Carbonaten oder gelöstem Bicarbonat in Ozeanen gebunden. Dies kann auch der Versauerung der Meere entgegenwirken.
Ein mögliches Verfahren von Enhanced Weathering ist das Ausbringen von fein gemahlenem Silikatgestein, wie beispielsweise Basalt, auf (landwirtschaftliche) Oberflächen. Hierbei werden die chemischen Reaktionen zwischen Mineralen, CO2-haltigen Gasen/Flüssigkeiten beziehungsweise Luft beschleunigt, sodass CO2 innerhalb von einigen Wochen bis Monaten sequestriert werden kann.
Darüber hinaus unterscheidet man In-Situ- und Ex-Situ-Methoden des EW.
Bei In-Situ-Methoden handelt es sich um das Zirkulieren von CO2-haltigen Fluiden im Erduntergrund. Dadurch kann CO2 langfristig von mafischen und ultramafischen Gesteinen gespeichert werden. Die Ex-Situ-Methode zeichnet sich dadurch aus, dass sie unter Zuhilfenahme von hohen Drücken, Temperaturen und CO2-Konzentrationen sowie Säuren das CO2 mit hinzugefügten (natürlichen oder künstlichen) alkalischen Mineralen in Reaktoren reagieren lassen. Die Dauer dieses Prozesses beläuft sich nur auf einige Minuten.
Bei EW handelt es sich um Verfahren des Carbon dioxide removal (CDR), also Verfahren, bei denen Kohlendioxid durch gezielte menschliche Aktivitäten aus der Atmosphäre entfernt und dauerhaft in geologischen, terrestrischen oder ozeanischen Reservoiren oder in Verwitterungsprodukten gespeichert wird. Damit soll durch die Sequestrierung des Treibhausgases CO2 dem menschengemachten Klimawandel entgegenwirkt werden.
Entstehungsgeschichte EW Geologischer Hintergrund mini|hochkant=1.8 |Temperaturkurve des PhanerozoikumsNach Abb. 13 in: Durch die Kollision der Indischen Platte und der Eurasischen Platte vor ca. 50 Millionen Jahren folgte die Entstehung des Himalaya-Gebirges. Durch die Gebirgsbildung ist mehr Gestein der Oberfläche ausgesetzt und die chemischen Verwitterungsraten steigen an. Dieser Anstieg führt dazu, dass sich die globale Temperatur abkühlt, was in der känozoischen Eiszeit gipfelt.
Seit knapp 30 Jahren wird das Thema „Enhanced Weathering“ erforscht, mit dem Ziel, Kohlendioxid über einen langen Zeitraum aus der Atmosphäre zu entziehen. So soll dem anthropogen verursachten Klimawandel entgegengewirkt werden.
Mitte der 1990er Jahre entsteht die Idee, dass die fossilen Brennstoffe weiterhin genutzt werden können, indem CO2 in Carbonaten dauerhaft gespeichert und so der Atmosphäre entzogen wird. In den 2000er Jahren wird versucht, das Verfahren zur praktischen Anwendung zu bringen, indem erforscht wird, ob EW wirtschaftlich machbar und gesundheitlich unbedenklich ist. Dazu wird berechnet, dass Ausbringen von 5 Gt Olivin (MgFeSiO4) an Stränden notwendig ist, um 30 % der weltweiten Emissionen von 1990 zu kompensieren.
Das CO2-Absenkungspotential wird im Folgenden gegen die Emissionen, die durch Abbau, Zerkleinerung und Ausbringung stehen, gegengerechnet. Je nach Berechnung kann die Methode z. B. bei langen Transportwegen, zu großen Körnern oder Transport über die Straße anstatt über die Schiene auch zur CO2-Quelle werden. Anfang der 2020er Jahre wird der Vorschlag erbracht, die EW-Methoden mit Lebensmittelanbau und Bodensicherheit zu kombinieren, indem man Silikatgesteine auf Anbauflächen ausbringt.
Zusammenfassend ist zu sehen, dass sich die Entwicklung von EW-Methoden seit ihren Anfängen vom Ausgleichen der Emissionen der fossilen Brennstoffe auf die Sequestrierung von mehreren Gt CO2 pro Jahr erweitert hat, um die Emissionen der Vergangenheit mit auszugleichen.
Funktionsweise (naturwiss. Grundlagen)
Die Verwitterung verläuft je nach Korngröße unterschiedlich ab, wobei kleinere Körner aufgrund ihrer größeren Angriffsfläche vor den größeren Körnern aufgelöst werden. Kleinere Körner verwittern somit schneller. EW kann durch verschiedene geochemische Mechanismen erfolgen, die hauptsächlich von der Art der beteiligten Minerale abhängen. Dazu gehören Lösungs-, Hydratations-, Hydrolyse- und Oxidationsverwitterung. Die Carbonatverwitterung ist eine besondere Form der Lösungsverwitterung.
Carbonat- und Silikatminerale sind Beispiele, für Minerale, die von der Carbonatverwitterung betroffen sind. Wenn Silikat- oder Carbonatminerale Regen- oder Grundwasser ausgesetzt sind, lösen sie sich aufgrund der Carbonatverwitterung langsam auf: Das heißt, dass das in der Atmosphäre vorhandene Wasser (H2O) und das Kohlendioxid (CO2) durch die folgende Reaktion Kohlensäure (H2CO3) bilden:
Bei den Reaktionen zeigen die Buchstaben l (flüssig), s (fest), g (gasförmig), aq (in wässriger Lösung) an, in welchem Zustand sich der Stoff befindet. Diese Kohlensäure greift dann das Mineral an und bildet, in Lösung mit dem nicht umgesetzten Wasser, Carbonat-Ionen. Infolge dieser beiden chemischen Reaktionen (Carbonatisierung und Auflösung) verbinden sich Minerale, Wasser und Kohlendioxid, wodurch sich die chemische Zusammensetzung der Minerale ändert und der Atmosphäre Kohlenstoffdioxid (CO2) entzogen wird.
Insbesondere Forsterit (Mg2SiO4), ein Mineral aus der Klasse „Silikate und Germanate“, wird durch diese Reaktion aufgelöst:
Calcit (CaCO3), ein Mineral aus der Klasse „Carbonate und Nitrate“, wird stattdessen durch diese Reaktion aufgelöst:
Wasser mit gelösten Bicarbonat-Ionen (2HCO3−) gelangt schließlich in die Ozeane, wo die Bicarbonat-Ionen durch folgende Reaktion zu Carbonat-Minerale für Schalen und Skelette biomineralisiert werden:
Die Carbonatminerale sinken dann schließlich von der Meeresoberfläche auf den Meeresboden. Der größte Teil des Carbonats wird in der Tiefsee wieder aufgelöst, wenn es absinkt, da ab einer Tiefe von ca. 4000 m die Carbonat-Kompensationstiefe liegt. Dies ist die Tiefe, ab der aufgrund von hohen Drücken und tiefen Temperaturen, sowie einer hohen Kohlenstoffdioxidkonzentration, die absinkenden Calciumcarbonate aufgelöst werden. Die Tiefe der Grenze kann je nach Ozean, aber auch innerhalb eines Ozeans, deutlich variieren.
Es wird angenommen, dass diese Prozesse über geologische Zeiträume hinweg das Erdklima stabilisieren. Das Verhältnis zwischen dem gasförmigen Kohlendioxid (CO2) in der Atmosphäre und der in Carbonat umgewandelten Kohlendioxidmenge wird durch ein chemisches Gleichgewicht geregelt: Bei einer Änderung dieses Gleichgewichtszustands dauert es theoretisch (wenn in dieser Zeit keine anderen Veränderungen stattfinden) Tausende von Jahren, bis ein neuer Gleichgewichtszustand hergestellt ist.
Bei der Silikatverwitterung beträgt der theoretische Nettoeffekt von Auflösung und Ausfällung 1 Mol CO2, das für jedes Mol Ca2+ oder Mg2+, das aus dem Mineral verwittert, gebunden wird. Da einige der gelösten Kationen mit der vorhandenen Alkalinität in der Lösung reagieren und dabei CO32−-Ionen bilden, ist das Verhältnis in natürlichen Systemen nicht genau 1:1, sondern hängt von der Temperatur und dem CO2-Partialdruck ab. Die Netto-CO2-Bindung der Carbonatverwitterungsreaktion und der Carbonatausfällungsreaktion ist gleich Null.
Es wird angenommen, dass Verwitterung und biologische Carbonatausfällung nur über kurze Zeiträume (<1000 Jahre) lose gekoppelt sind. Daher wird eine Zunahme der Carbonat- und Silikatverwitterung im Verhältnis zum Carbonatniederschlag, zu einem Anstieg der Alkalinität im Ozean führen.
Biologische Aspekte Ein weiterer Aspekt, der sich neben den abiotischen Faktoren (Niederschlag, Temperatur und CO2-Gehalt) auf die beschleunigte Verwitterung auswirkt, ist die Wechselwirkung zwischen Gestein und Pflanzenwurzeln.
Wechselwirkung Gestein – Pflanze Bei der Silikatverwitterung werden Protonen verbraucht. Diese können von den Pflanzenwurzeln zur Verfügung gestellt werden, da die pflanzlichen Organismen Exsudate und Protonen liefern. Bei der Silikatverwitterung kommt es zur Freisetzung von Elementen wie Phosphor, Calcium, Magnesium, Kalium oder Silizium. Diese werden als Nährstoffe von Pflanzen aufgenommen. Somit wird der Boden basischer. Durch die Basizität liegt das Gleichgewicht auf der Seite des Bicarbonats, wodurch mehr CO2 von der Atmosphäre aufgenommen werden kann. Die Mineralaufnahme kann somit die Silikatverwitterung beschleunigen.
Bedeutung von Arbuskulären Mykorrhizapilzen für EW Die Interaktion zwischen Gestein und Pflanzenwurzeln kann von Arbusculären Mykorrhizapilzen (AM-Pilze) gestärkt werden. Dabei handelt es sich um Pilze, die schon seit ca. 400 Millionen Jahren eine Symbiose mit Landpflanzen eingehen. Durch die Symbiose bekommen die Pilze Kohlenhydrate in Form von Glucose von den Pflanzen. Sie selbst machen den Pflanzen Nährstoffe wie beispielsweise Phosphat zugänglich. Das Besondere an AM-Pilzen ist, dass sie mit ihren Hyphen in die Wurzelrindenzellen der Pflanzen eindringen und dort baumartige Verwachsungen, sogenannte Arbuskeln, ausbilden.
Bei der Symbiose der Pflanzenwurzeln und der AM-Pilze können direkte und indirekte Einflussfaktoren das EW positiv beeinflussen. So können AM-Pilze die Ionen von Mineralen aufnehmen, indem sie mit ihren Hyphen die Mineraloberfläche bedecken. Zudem werden von den AM-Pilzen Protonen freigesetzt, wenn sie Ammonium aufnehmen. Einen weiteren direkten Einfluss können die Exsudate der Hyphen ausüben. Denn die organischen Ausscheidungen stellen Chelatoren dar, die die Mineraloberfläche destabilisieren. Die direkten Einflussfaktoren können das Verwitterungspotential erhöhen.
Auch indirekte Faktoren können sich positiv auf EW auswirken. Beispielsweise können AM-Pilze den Kohlenstofffluss von Pflanzen in den Boden (Wurzelatmung) bestärken. Außerdem können AM-Pilze die Ausscheidung von organischen Verbindungen durch Pflanzen fördern. Dadurch werden physikalisch-chemische Bedingungen geschaffen, die eine gesteigerte Verwitterung zur Folge haben.
Einsatz in der Landwirtschaft Der Prozess des EW kann insbesondere in der Landwirtschaft angewendet werden. Zwar sind die Abundanz und Diversität von AM-Pilzen in der Landwirtschaft deutlich geringer als in natürlichen Systemen. Aber durch die silikatische Düngung nimmt der pH-Wert des Bodens zu. Dies hat zur Folge, dass die Artenvielfalt und -dichte der AM-Pilze sowie ihre Wurzelbesiedelung ansteigt. Ein Vorteil dabei stellt die Verwendung von Basalt als Material für EW dar. Denn AM-Pilze wachsen bevorzugt in Bereichen mit basaltischen Bedingungen im Gegensatz zu granitischen oder quarzitischen Bedingungen. Der Einsatz von EW in der Landwirtschaft hat zudem den Vorteil, dass Böden konventioneller Landwirtschaft die Interaktion zwischen Pilzen und Mineralen fördern. Die geringen organischen Bestandteile und die fehlenden Nährstoffe regen die Affinität der Pilze für die Minerale an. Damit stellt der Mineraldünger einen Langzeitdünger dar. Die Nährstoffaufnahme der Hyphen wird durch eine anfängliche Reduktion der Nährstoffverfügbarkeit langfristig verbessert. Dadurch wird EW gefördert.
Zudem bietet die Anwendung von EW in der Landwirtschaft einen Vorteil für die Pflanzen. Der erhöhte Einbau von Silizium in Pflanzenwurzeln durch Mykorrhiza-Pilzen macht die Wurzeln für Herbivore, also Pflanzenfressern, ungenießbar. Durch den Pflanzenschutz wird auch der Ernteertrag verbessert. Wenn sich die Pflanzen in einem guten Zustand befinden, können sie auch besser im Wechselprozess mit der Silikatverwitterung agieren.
Funktionsweise – Recycling Die Bergbauindustrie erzeugt kontinuierlich ein fein gemahlenes Basalt-Abfallprodukt, das im Standardverfahren auf Abraumhalden seit Jahrzehnten deponiert wird. Aufgrund der chemischen Zusammensetzung und der Korngröße kann dieses Material möglicherweise für EW verwendet werden.