Seewasser und Kohlendioxid werden zu kohlenstoffnegativen Baustoffen

Forschende haben herausgefunden, dass sich aus Seewasser und Kohlendioxid ein fester Baustoff herstellen lässt, der mehr Kohlenstoff speichert, als bei seiner Produktion entsteht.

Damit erscheint ein grundlegender Bestandteil des Bauwesens in einem neuen Licht: als möglicher Klimahelfer, insbesondere dort, wo Schwerindustrie bereits an Küsten angesiedelt ist.

Seewasser und Kohlendioxid werden zu Stein

In einem Tischreaktor entstanden aus Seewasser helle, sandähnliche Körner, die in Beton anstelle von abgebautem Zuschlagstoff eingesetzt werden könnten.

Gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen der Northwestern University zeigte Alessandro Rotta Loria, dass dieses Material direkt in einer kontrollierten chemischen Umgebung gezüchtet werden kann.

Die Feststoffe bildeten sich nicht nur in einer einzigen Variante: Sie konnten entweder als lockere Pulver in der Lösung entstehen oder als auf einer Elektrode aufgebaute Körner.

Diese Anpassungsfähigkeit beruht auf einem engen chemischen Gleichgewicht. Entscheidend ist daher, wie sich das Material unter unterschiedlichen Bedingungen verändert.

So funktioniert die Reaktion

Sobald Strom durch das Seewasser fliesst, wird Wasser gespalten und es entstehen Hydroxidionen. Diese geladenen Teilchen machen das Wasser in ihrer Nähe weniger sauer.

Gleichzeitig bildet eingeleitetes Kohlendioxid im Seewasser Bicarbonationen – gelöste Kohlenstoffverbindungen, aus denen sich Mineralien bilden können.

Diese Bestandteile reagieren mit dem im Seewasser vorhandenen Kalzium und Magnesium und verfestigen sich zu Kalziumkarbonat, dem Mineral aus Kalkstein und Muschelschalen, sowie zu einem magnesiumreichen Feststoff.

Bei derselben Reaktion entsteht zudem Wasserstoffgas, das als zweites Produkt zur Wirtschaftlichkeit des Verfahrens beitragen könnte.

Zusammensetzung der Mineralien gezielt steuern

Schon geringfügige Änderungen bei Spannung und Stromstärke, beim Kohlendioxidstrom und bei der Wasserzirkulation erzeugten Partikel von luftigen Flocken bis hin zu kompakten Körnern.

Unter bestimmten Bedingungen hafteten die Feststoffe an der Elektrode, während sie unter anderen durch Wasserstoffblasen in die Lösung abgelöst wurden.

„Wir haben gezeigt, dass wir bei der Herstellung dieser Materialien ihre Eigenschaften vollständig steuern können, etwa die chemische Zusammensetzung, Grösse, Form und Porosität“, sagte Rotta Loria.

Diese präzise Steuerung ist wichtig, weil Beton, Putz und Füllstoffe jeweils andere Korngrössen, Dichten und Hohlraumanteile benötigen.

Warum Sand so wichtig ist

In einer üblichen Betonmischung machen Zuschlagstoffe – Sand und Kies, die Volumen schaffen – etwa 60 bis 75 Prozent des Gesamtvolumens aus.

Würde ein Teil dieser Masse durch im Reaktor erzeugtes Material ersetzt, könnte dies den Bedarf an abgebautem Sand aus Flüssen, Küstengebieten und Meeresböden senken.

Da die Reaktorpartikel sowohl als Pulver als auch als grössere Körner entstehen können, könnte dieselbe Chemie für verschiedene Bauprodukte genutzt werden.

So wird abgeschiedenes Kohlendioxid zu einem Stoff, den Hersteller bereits in enormen Mengen benötigen – deutlich sinnvoller als eine reine Einlagerung.

Manche Mischungen werden kohlenstoffnegativ

Bei den besten Mischungen wird das Produkt kohlenstoffnegativ und speichert damit mehr Kohlendioxid, als durch den Prozess freigesetzt wird.

Eine zu gleichen Teilen aus Kalziumkarbonat und einem magnesiumreichen Feststoff bestehende Mischung kann mehr als die Hälfte ihres Eigengewichts an Kohlendioxid aufnehmen.

Eine nachträgliche Karbonatisierung, bei der Kohlendioxid in Feststoffe eingebunden wird, ermöglicht es dem magnesiumreichen Anteil, noch mehr davon dauerhaft zu speichern.

Dieser zusätzliche Schritt verändert zugleich das Material selbst und erweitert den Ansatz von reiner Kohlenstoffspeicherung hin zu seiner Leistungsfähigkeit innerhalb eines Bauwerks.

Festigkeit nach der Aushärtung

Während 30-tägiger Versuche wuchsen die Ablagerungen an der Elektrode weiter, bis sie zentimetergrosse Stücke statt losen Pulvers bildeten.

Die Porosität – also der Anteil offener Räume im Feststoff – ermöglichte es den Ionen in diesen zentimetergrossen Stücken, sich weiter zu bewegen und das Wachstum fortzusetzen.

Nach einer weiteren Karbonatisierung stieg die Druckfestigkeit von etwa 200 Pfund pro Quadratzoll (14 Kilogramm pro Quadratzentimeter) auf mehr als 870 (61).

Stark alkalische Bedingungen liessen einige Zuschlagstoffe dennoch zerfallen. Das zeigt, dass ihre Haltbarkeit davon abhängen wird, wo Bauunternehmen sie letztlich einsetzen.

Die Ozeane schützen

Statt Kohlendioxid in offenes Meerwasser einzuleiten, stellt sich das Team vor, diese Chemie in modularen Reaktoren nahe der Küste ablaufen zu lassen.

In solchen Küsteneinheiten könnten Betreiber das einströmende Wasser kontrollieren, Nebenprodukte auffangen und die verbleibende Flüssigkeit behandeln, bevor sie zurückgeleitet wird.

„Wir könnten einen Kreislauf schaffen, bei dem wir CO₂ direkt an der Quelle binden“, sagte Rotta Loria.

Das ist entscheidend, denn ein vielversprechendes Klimainstrument lässt sich wesentlich schwerer rechtfertigen, wenn es die angrenzenden Ökosysteme beeinträchtigt.

Künftige Forschungsrichtungen

Eine Analyse von Chatham House aus dem Jahr 2018 bezifferte den Anteil der Zementproduktion an den weltweiten Kohlendioxidemissionen auf rund 8 Prozent.

Damit dieses neue Material die Klimabelastung von Zement verringern kann, müsste der dafür benötigte Strom sauber und zu vertretbaren Kosten verfügbar sein.

Höhere Spannungen lösten an der positiven Elektrode zudem chlorbezogene Chemie aus – ein Hinweis darauf, dass industrielle Anlagen Nebenreaktionen sorgfältig kontrollieren müssen.

Ausserdem brauchen Forschende belastbarere Verschleisstests, denn Baustoffe versagen durch Abrieb und Stösse ebenso häufig wie durch Druckbelastung.

Baustoffe, die Emissionen speichern

Neben Beton könnte derselbe mineralische Ausstoss auch für Zement, Putz, Farbe oder Restaurierungsprojekte genutzt werden, die kalzium- und magnesiumreiche Feststoffe benötigen.

Weil die Partikel auf einer Elektrode wachsen oder sich frei in der Lösung absetzen können, könnten Fabriken unterschiedliche Lieferketten bedienen.

Diese Flexibilität in der Produktion könnte das Interesse der Industrie erklären, denn Kohlenstoffabscheidung bleibt eher bestehen, wenn sie in einem verkäuflichen Bestandteil endet.

Was in einem Prozess wie Abgas wirkt, wird in einem anderen zu einem Rohstoff.

Seewasser, Strom und abgeschiedener Kohlenstoff können nun Baustoffe erzeugen, die Emissionen speichern, abgebaute Materialien ersetzen und nutzbaren Wasserstoff liefern.

Ob daraus eine verbreitete Baupraxis wird, hängt von Reaktordesign, sauberer Energie, Kosten und überzeugenden Ergebnissen aus grösseren Tests ab.