Expertise

In AIMS³ sind die mittelozeanischen Spreizungszentren, an denen Magma aus dem Erdmantel mit kaltem Meerwasser reagiert, insofern zentral, als dass die Abschreckung zerklüfteten Basalt produziert, der wegen seiner Durchlässigkeit den größten unterirdischen Wasserspeicher der Erde darstellt. Dieses marine Grundwassersystem zu erbohren, zu instrumentieren, und die Poren durch CO₂ mit Karbonat zu füllen stellt einen nachhaltigen Weg dar, effektiv Kohlendioxid in „Gestein“ zu verwandeln und es über geologische Zeiträume (Millionen von Jahren) zu binden.

Als technologie-affiner Forscher finde ich es spannend, in diesem Projekt durch so unterschiedliche Methoden wie geophysikalischer Vorerkundung, direkter Probennahme, und dann mittels chemischer, physikalischer und biologischer Untersuchungen das Speicherpotential von Ozeankrustenbasalten zu verstehen und im Rahmen von Experimenten im Labor, am/im Meeresboden und durch Computersimulationen so zu erweitern, dass der gesellschaftliche Nutzen und die entstehenden Kosten einer solchen CO₂-Speicherung zu ermitteln. Durch diese Kennzahlen, die dann mit denen zur CO₂-Speicherung unter dem Meeresboden der Nordsee verglichen werden können (GEOSTOR), wird man Entscheidungshilfen bekommen, die Chancen und Risiken verschiedener Möglichkeiten zur Entfernung des CO2 aus Ozean und Atmosphäre besser vergleichen und bewerten zu können. Damit möchte ich eine sachliche, gesamtgesellschaftliche Diskussion über die verschiedenen Maßnahmen unterstützen, mit denen nationale und internationale Emissionsminderungsziele erreicht werden können.

Ich bin und war an britischen und deutschen Projekten zur Ozeanversauerung und zum CO₂-Treibhausgas, am internationalen GEOTRACES-Programm und an europäischen Projekten zur Entwicklung chemischer Sensoren (SenseOCEAN, Explotect, OceanSensor, ATLANTOS) und zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (STEMM-CCS) beteiligt. Eines meiner Hauptziele ist die Entschlüsselung komplexer Prozesse im Zusammenhang mit der Versauerung der Ozeane, der Karbonatchemie in Schelfmeeren und der CO2-Variabilität im Nordatlantik – einige der großen Herausforderungen für die Gesellschaft infolge des Klimawandels. Die Entwicklung geeigneter, kostengünstiger Sensoren ist ein neues Ziel, zu dem das AIMS³-Projekt beitragen wird.

Die magmatischen Entstehung des Meeresbodens in der Tiefsee entlang der mittelozeanischen Rücken folgt eine sehr lange Phase der Abkühlung, während der astronomische Mengen von Meerwasser den felsigen Untergrund durchströmen. Diese Vorgänge beeinflussen die Zusammensetzung der Ozeane und der Atmosphäre in starkem Maße. So kommt es beim Austausch zwischen dem Meerwasser und der Ozeankruste zur Freisetzung von Kalzium, das mit dem im Meerwasser gelösten Kohlendioxid reagiert und Karbonatminerale im Ozean bildet. Diese Prozesse laufen auch entlang der Strömungspfade des innerhalb der Kruste zirkulierenden Meerwassers ab, wodurch Karbonatminerale direkt in der Kruste gebildet werden. Diese natürlich ablaufenden Prozesse stellen wichtige CO2-Speicher dar; allerdings kann theoretisch dort viel mehr CO₂ gespeichert werden, als dies auf natürlichem Wege geschieht.

Die Nutzung dieser enormen Speicherkapazität im Rahmen von CDR-Maßnahmen liegt extrem nahe, allerdings verstehen wir die Rückkopplungen zwischen der Karbonatfällung und den Durchströmeigenschaften des vulkanischen Substrats noch nicht hinreichend. Durch experimentelle Untersuchungen im Labor und unter Nutzung eines Meeresbodenobservatoriums soll in einem Teilprojekt von AIMS³ diese Kenntnislücke geschlossen werden, damit bessere Vorhersagen zur potenziellen CDR-Nutzung der Ozeankruste gemacht werden können. 

In AIMS³ befasse ich mich mit der Entwicklung eines neuartigen mobilen Systems zur Langzeitüberwachung von Gasaustritten am Meeresboden im Kontext von CO₂-Verpressung. 

In AIMS3 beschäftige ich mich mit der Entwicklung eines neuen hybriden und autonomen Unterwasser-Monitoring-Systems bestehend aus einer statischen und einer mobilen Überwachungs-Einheit. Das System soll zur Langzeitüberwachung von Gasaustritten am Meeresboden während und nach CO2 Verpressungen eingesetzt werden.

Die Herausforderung in diesem Projekt ist es, die sensitive Gate-Oberfläche eines mikroelektronischen Bauelementes – eines Feldeffekttransistors (FETs) – so zu verändern, dass sie zum einen eine hohe pH-Sensitivität des Transistors erzeugt, zum anderen eine elektrochemische Degradation des Halbleitermaterials in Wasser verhindert – in einer Umgebung, in der man normalerweise keine mikroelektronischen Bauelemente betreibt. Der hier verwendete Ansatz, GaN-basierte ionensensitive Feldeffekt-Transistoren (ISFETs) zu nutzen, war in der Vergangenheit bereits zur Realisierung von unterschiedlichen Biosensoren erfolgreich. Das Material GaN ist bisher vor allem aus der Anwendung in blauen, ultravioletten und weißen Leuchtdioden bekannt. Wegen der besonderen elektrochemischen Eigenschaften dieses Materialsystems versprechen wir uns in diesem Projekt deutlich verbesserte Ergebnisse im Vergleich zu ähnlichen Ansätzen auf Basis der Siliziumtechnologie. Dieses Vorgehen – die Anwendung einer hochent-wickelten Materialforschung zur Bearbeitung interdisziplinärer Frage-stellungen – verfolge ich seit langem in verschiedenen Forschungsthemen. Es spiegelt auch die Philosophie des Projektes AIMS³ wider – Erkenntnisgewinn durch Bündelung von Expertisen aus unterschiedlichen Fachdisziplinen.

Die Wechselwirkung von gasförmigen CO₂-Molekülen mit Meerwasser führt zu einer Reihe chemischer Reaktionen, die zu einem Anstieg des DIC und des Säuregehalts in der Umgebung führen. Sowohl die Größe des betroffenen Gebiets als auch die Auswirkungen hängen von der Menge und dem Fluss des CO₂, der Dauer eines Lecks und auch von den lokalen hydrologischen Bedingungen ab. Um die potenziellen Umweltauswirkungen von Offshore-CCS-Aktivitäten zuverlässig bewerten zu können, sind Überwachungsinstrumente erforderlich. Ein direkter Weg zur Bewertung der Veränderungen der Karbonat-Chemie in der Wassersäule ist die Analyse von gesammelten Wasserproben und In-situ-Messungen durch installierte Sensoren im Laufe der Zeit.

Für mich ist es wichtig zu zeigen, dass die Offshore-Speicherung als eine sichere Strategie zur Verringerung der Umweltverschmutzung angesehen werden kann, wenn CCS-Standorte angemessen überwacht werden.

Ebenso wichtig ist die Weiterentwicklung der Sonden hinsichtlich weiterer Datenschnittstellen, der Leistungsfähigkeit zur Bereitstellung berechneter Daten, zur einfacheren Handhabung sowie die Modularisierung zur einfachen Umrüstung für verschieden Einsätze.

Als Ingenieur versuche ich die Instrumente auf die Herausforderungen der jeweiligen Umgebung anzupassen. Das betrifft hier nicht nur Sonden und Sensoren für die Tiefsee (bis 11.000 m), sondern auch Messinstrumente angebracht an Sperrwerken, in stillgelegten Bergwerken, Sonden zur Messung von kleinskaligen Turbulenzen, den sogenannten Mikrostrukturen (MSS), sowie ein Messsystem von Sonden, das in Echtzeit die Messung eines Querschnittes (2D – vertikale Struktur) ermöglicht (Schleppkette – TIA).

Bei all diesen Arbeiten gab es immer Fragestellung auf dem Hintergrund steigender Umweltbelastungen, Umgang mit den Energieresourcen und die offensichtlichen klimatischen Veränderungen. Für ein tieferes Verständnis der klimatischen Entwicklung auf der Erde und die Ableitung von Trends und Überschreitung kritischer Schwellen werden aufwändige Simulationen und Modelle stetig entwickelt, verglichen und verbessert. Aussagekräftige Modelle benötigen eine umfassende und belastbare Datenbasis, um Vorsorgestrategien einzuführen oder Climate-Engineering durchzuführen.

Ich freue mich, mit der Entwicklung von „cleverer Sensorik“ in Teamarbeit mit meinen Kollegen an dieser Stelle einen Beitrag leisten können.

Im Rahmen des AIMS³ Forschungsverbundes bin ich für die Langzeit-Dokumentation der Zusammensetzung Fluiden verantwortlich, die in der ozeanischen Kruste zirkulieren. Hierbei steht die Beantwortung zweier Fragen im Zentrum der Untersuchungen. Treten über einen Beobachtungszeitraum von bis zu 3 Jahren natürliche Veränderungen in der Zusammensetzung der Fluide auf? Sofern diese der Fall sein sollte stellt sich die Folgefrag zur Ursache bzw. den Steuermechanismen die für Veränderungen verantwortlich sind. Darüber hinaus ist die Bestimmung der Geschwindigkeit der Fluidzirkulation von entscheidender Bedeutung für spezielle geochemische Untersuchungen in anderen Teilprojekten des Verbundes.

Um diese Informationen zu erhalten setze ich Osmose getriebene Langzeit-Probensammler an den zuvor als Schlüsselstellen definierten Lokationen der Tiefbohrungen ein. Diese Art der kontinuierlichen Probenahme wurde zwar bereits von gut 20 Jahren von US-amerikanischen Kollegen entwickelt, aufgrund der erforderlichen Randbedingungen jedoch bislang nur selten, dann jedoch zumeist erfolgreich eingesetzt. Zur Bestimmung von Fließgeschwindigkeit und Dispersion soll der Einsatz von Tracersubstanzen dienen. Zwar birgt die geringe Anzahl möglicher Bohrungen bzw. Beprobungsmöglichkeiten der zirkulierenden Wässer das Risiko den Transportprozess eines Tracers möglicherweise nicht erfassen zu können, im Falle des Erfolges wäre die erhaltene Information jedoch von essentieller Bedeutung für die Bestimmung von geochemischen Umsatzraten im Zusammenhang mit der angedachten CO₂-Einleitung bzw. für die Beurteilung ob sich die basaltische Ozeankruste als dauerhafter Speicherort für CO₂ anbietet.

In AIMS³ wird die Umsetzbarkeit einer neuen Technologie zur Speicherung von CO₂ in der Ozeankruste erforscht. Technologien generell, insbesondere jedoch neue Technologien zu denen wenig Vorerfahrung vorhanden ist, bergen Unsicherheiten sowohl hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit als auch der gesellschaftlichen Akzeptanz ihrer Nutzung. Diese Fragen frühzeitig zu berücksichtigen und Abwägungsprozesse partizipativ zu gestalten ist von entscheidender Bedeutung um die Nutzung neuer Technologien wirtschaftlich und im Sinne der Gesellschaft auszugestalten.

Für eine Verhaltens- und Umweltökonomin ist es ein hochspannendes Projekt an der Erforschung einer vollkommen neuen Technologie von Anfang an beteiligt zu sein. Aus umweltökonomischer Sicht ist es zentral, ob die neue Technologie ein effizienter Weg sein könnte um Umweltprobleme abzumildern. Zugleich ist die Einführung neuer Technologien aus ökonomischer Perspektive ein ganzheitlich zu begreifender Prozess, bei dem nicht nur technisch-ökonomische sondern auch soziale oder rechtliche Aspekte mitbedacht werden müssen. Durch unsere Forschung zu diesen Fragen Orientierung bieten zu können, und somit die Basis für einen breiten gesellschaftlichen Diskurs zu liefern ist eine motivierende Aufgabe.

Im Rahmen des AIMS³-Projekts arbeite ich an der Entwicklung eines mikrofluidischen In-situ-Sensors zur Messung des gelösten anorganischen Kohlenstoffs (DIC) im Meerwasser mittels konduktometrischer Technik. Ziel ist es, den Sensor in der Tiefsee einzusetzen, um potenzielle CO₂-Austritte in Form von DIC nach der Injektion von CO₂ in geologische Speicherformationen unter dem Meeresboden zu quantifizieren.

Ich bin sehr daran interessiert, aktiv an diesem Projekt mitzuwirken und durch meine Forschungsarbeit einen Beitrag zu den neuen Technologien für CCS-Überwachungskonzepte zu leisten.

Im Rahmen von AIMS³ besteht meine wesentliche Aufgabe darin, ein 3D-Modell für Wärme- und Strömungstransport für den Standort des geplanten Rückenflanken-Observatoriums am Reykjanes-Rücken zu entwerfen, das verfügbare geologische und geophysikalische Daten (z. B. Krustenarchitektur, Bathymetrie, Sedimentbedeckung) mit einbezieht. Dieses Modell ist von fundamentaler Bedeutung, um Aussagen bezüglich der Kohlenstoffaufnahmeraten in Gesteinen sowie der Interaktion zwischen Gesteinen und in der Ozeankruste zirkulierenden Fluiden zu treffen. Es bietet uns dadurch eine Möglichkeit, das Verhalten des Reservoirs auf langen Zeitskalen vorherzusagen.

Durch meine Arbeit in AIMS³ erhoffe ich mir, einen aktiven Beitrag zum Schutz des Klimas und zum Voranbringen der Nutzung von CCS in basaltischen Ozeankrustengesteinen leisten zu können.

Im Rahmen von AIMS³ untersuche ich Reaktionen zwischen CO₂-angereichertem Meerwasser und verschiedenen porösen Basaltpräparaten. Die Speicherung von CO₂ als Mineralpräzipitate beruht auf natürlich ablaufenden Prozessen, welche durch das gezielte Einleiten von CO₂ in den Meeresboden beschleunigt werden sollen. Der höhere CO₂-Gehalt des eingeleiteten Meerwassers führt dabei zur erhöhten Auflösung der basaltischen Ozeankruste, wodurch Elemente freigesetzt werden, welche für die Fällung von Karbonatmineralen ausschlaggebend sind. Diese gekoppelten Lösungs- und Fällungsreaktionen hängen jedoch von einer Vielzahl an Faktoren ab, welche ich experimentell anhand von Durchfluss-Experimenten untersuchen und parametrisieren möchte. Ein Fokus der Experimente liegt dabei auf der Untersuchung der Kopplungen zwischen den Eigenschaften der Fluidstömung und der Karbonatfällung.

Mit den Ergebnissen meiner Experimente hoffe ich wichtige Parameter für belastbare Modellrechnungen bereitstellen zu können und somit einen wichtigen Beitrag zu diesem interdisziplinären Projekt leisten zu können.

Das Faszinierende am Wissenstransfer und der Kommunikation in aims3 ist, dass es eine sichere, zuverlässige und vielversprechende CCS-Methode zu sein verspricht.Die Öffentlichkeit scheint einer Reihe von ausführlichen Studien zufolge zwar verhältnismäßig wenig über die Funktionsweise und Implikationen von CCS-Methode informiert zu sein, lehnt diese Techniken aber grundsätzlich eher ab. Das muss bei der Kommunikation mit betrachtet werden.  
 
Wissenstransfer verstehe ich grundsätzlich als Dialog, nicht als eine unidirektionale Übertragung. Das spiegelt sich auch in unseren Ansätzen wieder: interaktive Formate, digital oder in Person, eine Citizen Jury und ein Verstehen der unterschiedlichen Positionen. 
 

Für die Speicherung von CO₂ in geologischen Formationen ist es außerordentlich wichtig das geologische System und mögliche Fluide Zirkulation zu verstehen. Die erhobenen Daten werden genutzt um die nummerische Modellierung zu unterstützen.

Die Arbeit im AIMS³ Projekt ermöglicht es mir Teil eines spanende Forschungsprojektes zu sein das zum Ziel hat das Pariser Klimaabkommen zu erreichen. 

Seit 2018 bei Sea & Sun Technology, einem Anbieter von Unterwasser-Sensorik, angestellt als FuE-Projektmanagerin sorge ich gemeinsam mit meinem Kollegen Gerd Seidel für neue innovative Projekte, die vom Wissenstransfer von Universitäten/Hochschulen zu uns als industriellen Partner leben. So suchen wir u.a. nach Möglichkeiten Biofouling an Sensoren zu vermeiden, Kabel unter Wasser im Sediment zu finden, Sedimenttransport an Sperrwerken zu monitoren, Ozeanwirbel hochauflösender zu messen und nun auch nach innovativer den Tiefseebedingungen angepasster Sensorik CCS-Verfahren zu überprüfen.

Ich finde es eine Notwendigkeit, dass Monitoring vervielfältigt, breiter aufgestellt und innovativer gestaltet wird, da nur die Datenbasis uns zeigen kann, wie schnell oder schleichend Umweltbedingungen sich ändern und wie sie interagieren. Dieses altbewährte Lernverfahren kombiniert mit neuen KI-Rechenmethoden kann dafür sorgen uns und unsere Umwelt zu schützen.

Ich freue mich sehr, einen kleinen Teil zum Verständnis, wie unsere Umwelt tickt und wie wir nachhaltiger mit ihr umgehen können, beizutragen.

Das Projekt AIMS³ unterstütze ich mit der Entwicklung eines robusten, sensitiven CO₂-Sensors. Der Vorteil im Vergleich zum Stand der Technik ist die Reduzierung der Ansprechzeit des Sensors von mehreren Minuten auf wenige Sekunden. So können Messungen auf Landern profilgebend durchgeführt werden und das Vertrauen der Öffentlichkeit in Offshore CCS Verfahren gestärkt werden.

Die Arbeit an diesem Thema reizt mich besonders, da der Anspruch an die Sensorik in Bezug auf Robustheit in einer rauen Umgebung und unter sehr hohem Umgebungsdruck eine große Herausforderung darstellt. Gleichzeitig bietet sich die Chance einen Beitrag zur Weiterentwicklung technischer Lösungen für eine nachhaltigere Welt zu leisten.