ZMT - Leibniz Zentrum für Marine Tropenforschung

13.05.2024 | In der Meerwasserversuchsanlage des ZMT läuft derzeit eine spannende Versuchsserie mit einem Mineral, das als CDR-Maßnahme eingesetzt werden könnte, um der Atmosphäre CO₂ zu entziehen (Carbon Dioxide Removal – CDR). Olivin ist ein grünes Eisen-Magnesiumsilikat und kommt im oberen Erdmantel sowie in vulkanischen Schmelzen vor. Wenn es in der Natur verwittert, wird der Atmosphäre CO₂ entzogen.

Prof. Dr. Nils Moosdorf und Dr. Murugan Ramasamy aus der Arbeitsgruppe Submariner Grundwasserabfluss am ZMT wollen mit der Masterstudentin Husna Sheikh herausfinden, welche Umwelteinflüsse die Verwitterungsraten – also die Geschwindigkeit der Verwitterung – beeinflussen.

In ihrem Versuchsaufbau haben die Forschenden in großen Röhren eine Schicht Olivin auf Sediment gesetzt und die Röhren mit Meerwasser gefüllt.

• Versuchsaufbau bestehend aus 14 Säulen, die mit einer bestimmten Menge grob- und feinkörnigen Sediments am Boden und einer gesetzten Menge Dunitsand gefüllt waren, sowie einem bestimmten Volumen gefilterten natürlichen Meerwassers. Die Olivin-Behandlungen wurden in dreifacher Ausführung durchgeführt, und eine Meerwasser-Kontrolle ohne Olivin wurde in zweifacher Ausführung eingerichtet. / Experimental set-up consisting of 14 columns filled with a fixed amount of coarse and fine-grained sediment at the bottom and a fixed amount of dunite sand, along with a fixed volume of filtered natural seawater. Olivine treatments were conducted in triplicate, and a seawater control without olivine was set up in duplicate.
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• Messung der physikalischen In-situ-Parameter (Temperatur, pH-Wert, Salzgehalt und Leitfähigkeit) in der Wasserphase der einzelnen Säulen. / Measuring the in-situ physical parameters (Temperature, pH, Salinity, and Conductivity) in the water phase of each column.

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• Messung der physikalischen In-situ-Parameter (Temperatur, pH-Wert, Salzgehalt und Leitfähigkeit) in der Wasserphase der einzelnen Säulen. / Measuring the in-situ physical parameters (Temperature, pH, Salinity, and Conductivity) in the water phase of each column.

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• Es wurden Wasserproben entnommen; das Meerwasser wurde mit einer 20-ml-Spritze gesammelt und aus jeder Schicht der Säule (Wasser, Olivin und Sedimentporenwasser) gefiltert. / Water sampling was conducted; seawater was collected with a 20 ml syringe and filtered from each layer of the column (water, olivine, and sediment porewater).

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• Die gefilterten Proben wurden in Fläschchen aufbewahrt, um pH-Wert, Gesamtalkalität (TA), Nährstoffe, Metalle und gelösten anorganischen Kohlenstoff (DIC) zu bestimmen. pH-Wert und TA wurden nach der Probenahme gemessen, während die anderen Proben für spätere Messungen im Gefrierschrank gelagert wurden. / Filtered samples were stored in vials for pH, Total Alkalinity (TA), nutrients, metals, and dissolved inorganic carbon (DIC). pH and TA were measured after sampling, while other samples were stored in the freezer for later measurement.

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• Das Foto zeigt den Aufbau der Säule nach der Einleitung des Meerwassers: Am Boden wurden 3 kg Feinsediment hinzugefügt, darüber 600 g Olivin und 10 cm Meerwasser. Die Gezeiten wurden alle 6 Stunden durch das Rohr simuliert, wobei sich hinter der Säule ein Gezeitentank befand. Für die tägliche und wöchentliche Probenahme aus jeder Schicht der Säule (Wasser, Olivin und Porenwasser des Sediments) wurde eine 20-ml-Spritze angebracht. / The photo depicts the column setup after seawater introduction: at the bottom, 3 kg of fine sediment was added, above which 600 g of olivine and 10 cm of seawater were placed. Tidal conditions were simulated every 6 hours through the tube, with a tidal tank behind the column. A 20 ml syringe was fixed for daily and weekly sampling purposes from each layer of the column (water, olivine, and sediment porewater).

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• Porenwasserproben, die mit einer 20-ml-Spritze aus dem Bodensediment entnommen wurden, um die Anreicherung der Gesamtalkalität (TA) zu beobachten / Pore water sampling collected from the bottom sediment using a 20 ml syringe to observe the accumulation of Total Alkalinity (TA)

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• TA-Proben werden in 5-ml-Fläschchen zur Messung gesammelt. / TA samples are being collected in 5 ml vials for measurement.

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Versuchsaufbau bestehend aus 14 Säulen, die mit einer bestimmten Menge grob- und feinkörnigen Sediments am Boden und einer gesetzten Menge Dunitsand gefüllt waren, sowie einem bestimmten Volumen gefilterten natürlichen Meerwassers. Die Olivin-Behandlungen wurden in dreifacher Ausführung durchgeführt, und eine Meerwasser-Kontrolle ohne Olivin wurde in zweifacher Ausführung eingerichtet. / Experimental set-up consisting of 14 columns filled with a fixed amount of coarse and fine-grained sediment at the bottom and a fixed amount of dunite sand, along with a fixed volume of filtered natural seawater. Olivine treatments were conducted in triplicate, and a seawater control without olivine was set up in duplicate.

Messung der physikalischen In-situ-Parameter (Temperatur, pH-Wert, Salzgehalt und Leitfähigkeit) in der Wasserphase der einzelnen Säulen. / Measuring the in-situ physical parameters (Temperature, pH, Salinity, and Conductivity) in the water phase of each column.

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Es wurden Wasserproben entnommen; das Meerwasser wurde mit einer 20-ml-Spritze gesammelt und aus jeder Schicht der Säule (Wasser, Olivin und Sedimentporenwasser) gefiltert. / Water sampling was conducted; seawater was collected with a 20 ml syringe and filtered from each layer of the column (water, olivine, and sediment porewater).

Die gefilterten Proben wurden in Fläschchen aufbewahrt, um pH-Wert, Gesamtalkalität (TA), Nährstoffe, Metalle und gelösten anorganischen Kohlenstoff (DIC) zu bestimmen. pH-Wert und TA wurden nach der Probenahme gemessen, während die anderen Proben für spätere Messungen im Gefrierschrank gelagert wurden. / Filtered samples were stored in vials for pH, Total Alkalinity (TA), nutrients, metals, and dissolved inorganic carbon (DIC). pH and TA were measured after sampling, while other samples were stored in the freezer for later measurement.

Das Foto zeigt den Aufbau der Säule nach der Einleitung des Meerwassers: Am Boden wurden 3 kg Feinsediment hinzugefügt, darüber 600 g Olivin und 10 cm Meerwasser. Die Gezeiten wurden alle 6 Stunden durch das Rohr simuliert, wobei sich hinter der Säule ein Gezeitentank befand. Für die tägliche und wöchentliche Probenahme aus jeder Schicht der Säule (Wasser, Olivin und Porenwasser des Sediments) wurde eine 20-ml-Spritze angebracht. / The photo depicts the column setup after seawater introduction: at the bottom, 3 kg of fine sediment was added, above which 600 g of olivine and 10 cm of seawater were placed. Tidal conditions were simulated every 6 hours through the tube, with a tidal tank behind the column. A 20 ml syringe was fixed for daily and weekly sampling purposes from each layer of the column (water, olivine, and sediment porewater).

Porenwasserproben, die mit einer 20-ml-Spritze aus dem Bodensediment entnommen wurden, um die Anreicherung der Gesamtalkalität (TA) zu beobachten / Pore water sampling collected from the bottom sediment using a 20 ml syringe to observe the accumulation of Total Alkalinity (TA)

TA-Proben werden in 5-ml-Fläschchen zur Messung gesammelt. / TA samples are being collected in 5 ml vials for measurement.

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Nils Moosdorf erklärt den Versuchsablauf: „Wir beeinflussen die Wasserchemie und messen diese regelmäßig, um zu überprüfen, welche chemischen Reaktionen stattfinden. Wir messen jeden Tag die Salinität und den pH-Wert des Wassers.“

„Parallel nehmen wir Proben, um uns dann im Labor genau anzuschauen, wie sich die Wasserchemie verändert hat,“ ergänzt  Murugan Ramasamy.

Mit den Experimenten wollen die Forscher versuchen, den Effekt der Tiden nachzuahmen und Auswirkungen von verschiedenen Arten Meeresboden auf die Verwitterungsraten herausfinden. In einem weiteren Schritt soll auch der Einfluss der Mikrobiologie, also der bereits auf dem Mineral vorhandenen Algen und Bakterien, auf die Verwitterungsrate des Olivins untersucht werden.

Die Versuchsreihe ist für zwei Monate angelegt. Am Ende erhoffen sie die Forscher neue Erkenntnisse über den Einsatz von Olivin als CDR-Maßnahme.

„Wenn man weiß wie Olivin auf welche Umwelteinflüsse den Verwitterungsprozess besonders beschleunigen, kann man die besten Stellen für diese Methode finden.

Die Versuchsserie ist Teil der CDR-Mare Projekts RETAKE der der Deutschen Allianz für Meeresforschung (DAM).

Über RETAKE: CO₂-Entnahme durch Alkalinitätserhöhung: Potenzial, Nutzen und Risiken

Der Verbund RETAKE, koodiniert von Andreas Oschlies vom GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel, untersucht die Potenziale, Machbarkeit und Nebenwirkungen verschiedener Möglichkeiten der atmosphärischen CO₂-Entnahme durch marine Alkalinitätserhöhung (AE). Durch AE wird die Aktivität von CO₂ im Meerwasser reduziert, wodurch der Gasaustausch von CO₂ aus der Atmosphäre in den Ozean verstärkt und die atmosphärische CO₂ Konzentration verringert werden kann. In RETAKE werden eine Reihe mineralischer Alkalinitätsquellen hinsichtlich Lösungskinetik, CO₂-Entnahmepotenzial sowie chemischer und biologischer Nebenwirkungen untersucht. In Labor- und Mesokosmenexperimenten wird AE unter realistischen Bedingungen für benthische und pelagische Systeme mit Fokus auf Nord- und Ostsee untersucht. Mit numerischen Modellen werden der Einsatz von AE in deutschen Hoheitsgewässern und anderen Meeresgebieten simuliert und lokale experimentelle Ergebnisse auf regionale bis globale Skalen extrapoliert. Aspekte der Permanenz, der Bilanzierung sowie der Überwachung, des Nachweises und der Attribution der CO₂-Entnahme werden vor dem Hintergrund natürlicher Variabilität untersucht. Eine Analyse ökonomischer Aspekte sowie der Relation zu den UN Zielen für nachhaltige Entwicklung (SDGs) komplettiert die umfassende Bewertung von AE. Mit dem so generierten Handlungswissen sollen Entscheidungsträger über Machbarkeit, Potenzial und Umweltrisiken mariner Alkalinitätserhöhung informiert werden.

Mehr Info zu dem Verbundprojekt: https://retake.cdrmare.de/