Wie Gestein CO₂ aus der Atmosphäre holt

Steine sind in der Lage, Kohlendioxid weitaus schneller zu binden, als man bisher annahm. Lange Zeit ging man davon aus, dass die Umwandlung von CO₂ in Karbonatgestein über Jahrhunderte dauernde Prozesse verläuft. Beobachtungen aus der Praxis und theoretische Kalkulationen lieferten Hinweise auf einen deutlich rascheren Pfad. In diesem Szenario fungiert Wasser ähnlich wie ein Katalysator und vermittelt die Bindung des industriell injizierten Gases. Dieser vermutete Mechanismus konnte nun an der TU Wien mithilfe atomarer bildgebender Verfahren erstmals experimentell bestätigt werden.

Ein altbekannter Prozess, der Jahrhunderte braucht

Die Umwandlung von Kohlendioxid in Gestein wurde lange Zeit als zweistufiger, mühsamer Prozess betrachtet: Zunächst muss sich das CO₂ in Wasser lösen und geladene Teilchen bilden, woraufhin sich das Gestein, wie etwa Silikat im Boden, teilweise auflösen muss. Erst aus dieser Reaktion entsteht neues Material, wodurch der Kohlenstoff dauerhaft im Gestein fixiert wird. „Das ist allerdings ein sehr träger Prozess“, sagt Giada Franceschi. „Auf diese Weise lässt sich nicht erklären, dass in der Natur diese Art von Karbonatgestein oft sehr schnell entsteht. Tests mit industrieller CO₂-Injektion in den Boden zeigen, dass 60 % des Kohlenstoffs schon innerhalb von zwei Jahren in Mineralien gebunden werden können. Wenn sich dafür zuerst Ionen aus dem Gestein lösen müssten, würde das Jahrzehnte oder Jahrhunderte dauern.“ Damit widersprechen die Praxisdaten der herkömmlichen Theorie und deuten auf einen wesentlich effizienteren Mechanismus hin.

Ein direkter Weg, erstmals nachgewiesen

Schon länger existierte die Vermutung, dass Kohlendioxid effizienter in bestimmte Materialien eingebaut werden könnte, als bisherige Modelle erklärten. Die Theorie besagt, dass CO₂ bei Anwesenheit von Wassermolekülen direkt an der Mineraloberfläche in das Gestein integriert wird, ohne den chemisch trägen Umweg über die Auflösung des Minerals und die Bildung freier Ionen nehmen zu müssen. Wasser ist unter natürlichen Bedingungen in der Umgebung dieser Mineralien fast immer vorhanden. Deshalb bietet dieser Pfad eine plausible Erklärung für beschleunigte Prozesse. Das Forschungsteam konnte nun am Beispiel des Minerals Wollastonit belegen, dass dieser alternative Weg tatsächlich existiert. Durch den Einsatz hochauflösender Rasterkraftmikroskopie gelang es den Wissenschaftlern, die chemischen Vorgänge direkt auf atomarer Skala zu beobachten. Damit können sie den Beweis für diesen direkten Einbaumechanismus erbringen.

Das CO₂ muss sich verbiegen

Die Anwesenheit einer dünnen Wasserschicht auf der Wollastonit-Oberfläche verändert die Interaktion mit Kohlendioxid grundlegend, wie Prof. Ulrike Diebold erläutert: „Kohlendioxid ist geometrisch gesehen normalerweise völlig gerade. Die beiden Sauerstoffatome, die mit dem Kohlenstoff verbunden sind, zeigen in exakt entgegengesetzte Richtungen. Wasser auf der Wollastonit-Oberfläche kann das Kohlendioxid-Molekül allerdings verbiegen – und dadurch ändern sich seine chemischen Eigenschaften.“ Durch diese Verformung kann sich das CO₂ direkt am Mineral anlagern und eine feste Bindung eingehen, ohne dass das Gestein vorher aufgelöst werden muss.

Giada Franceschi betont die Bedeutung dieses Katalysators: „Ohne Wasser ist das nicht möglich, da fehlt die passende Andockstelle. Doch schon eine winzige Menge Wasser genügt, um die Wechselwirkung zwischen CO₂ und Wollastonit völlig zu verändern.“ Mit dieser Entdeckung wurde der entscheidende Mechanismus nachgewiesen, der eine rasche CO₂-Abscheidung an Wollastonit und vermutlich auch an ähnlichen Mineralien erlaubt. „Wenn wir in Zukunft CO₂ aus der Atmosphäre holen und dauerhaft für unbegrenzte Zeit speichern wollen, dann müssen wir es in festes Gestein umwandeln“, sagt Ulrike Diebold. „Unsere Messungen zeigen, welche Effekte auf atomarer Skala sich dafür einsetzen lassen.“

Quelle

Technische Universität Wien (04/2026)