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Gas in Käfighaltung

erstellt von timo_meyer zuletzt verändert: 17.11.2016 13:36 — abgelaufen

Auf dem Meeresgrund und im Frostboden lagern sogenannte „Gashydrate“. Die eisähnliche Verbindung aus Wasser und Gas wurde im Rahmen des GEOTECHNOLOGIEN-Projekts INGO umfangreichen Labortests unterzogen.

Vorkommen gibt es unter Tage und unter Wasser: in Gestalt einer weißen, eisähnlichen Substanz. Auf dem Festland findet man sie im Erdreich des Permafrosts, im Meeresboden vorwiegend an den Kontinentalhängen, wo der Grund von den seichten Gewässern des Festlandsockels in die Tiefsee abfällt. Vermischt mit Sand und Schlick halten „Gashydrate“ den Meeresboden wie Klebstoff zusammen und stabilisieren somit die unter Wasser gelegenen Böschungen. Welche Vorgänge dabei von Bedeutung sind, ist Gegenstand aktueller Untersuchungen. Als mögliche Rohstoffquelle sind Gashydrate ebenfalls von Interesse. Es geht dabei um das brennbare Methan, das ansonsten im Erdgas vorkommt. „Häufig spricht man auch von Methanhydraten“, erläutert Dr. Judith Schicks vom Deutschen GeoForschungsZentrum in Potsdam, „was darauf zurückzuführen ist, dass marine Gashydrate häufig überwiegend Methan enthalten. Allerdings enthalten sie keineswegs ausschließlich Methan.“ Dessen Anteil an der eingeschlossenen Gasmenge erreiche mitunter 99 Prozent, in anderen Fällen liege der Anteil aber bei nur etwa 60 Prozent, schränkt die Potsdamer Chemikerin ein. Typische Beimischungen seien Kohlenwasserstoffe wie Propan, ferner Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff. Wie auch immer das in Gashydraten enthaltene Gasgemisch zusammengesetzt ist, das gebundene Volumen ist enorm: Aus einem Kubikmeter Gashydrat können rund 164 Kubikmeter Gas freigesetzt werden.


Gashydrat in Flammen

Das in Gashydraten enthaltene Methan kann Feuer fangen, man spricht dann von "brennendem Eis" © Dt. GeoForschungsZentrum



Grund für derlei Fassungsvermögen ist die Mikrostruktur der Gashydrate. Die Bestandteile – Wasser und Gas – sind auf besondere Weise miteinander verschachtelt. Gashydrate bestehen nämlich aus einem Käfiggerüst aus Wassermolekülen, das die Gasteilchen wie ein Gitternetz umschließt. Wobei in benachbarten Käfigzellen auch unterschiedliche Gasteilchen eingebettet sein können. „Das Verhalten dieser gemischten Gashydrate ist kompliziert“, betont Schicks, die am GeoForschungsZentrum die Arbeitsgruppe „Gashydratforschung“ leitet.

Ziel des Forschungsprojekts INGO – das Kürzel steht für „Investigation on the Nature of Gas Hydrate Occurrences: Structure, Composition and Physical Properties“ – war es daher gewesen, mehr über diese eisähnliche Substanz in Erfahrung zu bringen. „Dabei ging es zum einen um die Charakterisierung natürlicher und synthetischer Proben. Zum anderen darum, das Verhalten von Gashydraten mit Hilfe von Computermodellen zu beschreiben“, berichtet Schicks, die an INGO mitgearbeitet hat. Das Projekt wurde im Herbst 2007 abgeschlossen. Neben dem Potsdamer GeoForschungsZentrum hatten sich auch die Freie Universität Berlin und das GeoZentrumGöttingen der Universität Göttingen daran beteiligt. INGO wurde gefördert im Rahmen des GEOTECHNOLOGIEN-Schwerpunkts „Methan im Geo-/Biosystem“.

Frostiger Laborbefund

Wissenschaftlich verbürgt sind Gashydrate seit dem 19. Jahrhundert: als Laborprodukt. Ein Verdienst von Sir Humphry Davy, der im Jahre 1810, beim Experimentieren mit Wasser und Chlorgas, eher zufällig Chlorhydrat herstellte. Der Brite ist auch als Erfinder der „Davy’schen Grubenlampe“ bekannt, die seinerzeit im Bergbau große Verbreitung fand. Mit seinem Laborbefund machte er allerdings weniger Furore. Und so galten Gashydrate lange Zeit als Kuriosum, bis sie Anfang des 20. Jahrhunderts wiederentdeckt wurden. In Erdgaspipelines, die kalter Witterung ausgesetzt waren, kam es immer wieder zu Verstopfungen. E. G. Hammerschmidt von der US-amerikanischen „Texoma Natural Gas Company“ beschrieb 1934 erstmals die Ursache derlei Transportprobleme: Unter dem Druck der Gasleitung und frostigen Außentemperaturen hatten sich Feuchtigkeit und Erdgas zu eisigem Gashydrat verfestigt. Ein Problem, mit dem sich Gasfirmen auch heute noch auseinandersetzen müssen. Dem Erdgas werden mittlerweile Chemikalien beigemischt, um derlei Klumpenbildung vorzubeugen.

Doch eigentlich sind Gashydrate äußert fragile Gebilde. Bei normalen Luftdruck und Raumtemperatur schmelzen sie rasch dahin und zersetzen sich zu Gas und Wasser. „Auf Dauer sind Gashydrate nur bei Kälte und hohem Druck stabil“, unterstreicht Schicks. „In der Natur gibt es geeignete Bedingungen nur auf dem Meeresboden und unter dem Permafrost.“ Im Ozean ist es der Wasserdruck, der – neben Temperaturen wenige Grad über Null – ab 500 Metern Tiefe die Entstehung von Gashydraten begünstigt. Das eingeschlossene Gas stammt dabei aus der Verwesung von Meeresorganismen. Im Frostboden wiederum ist es die Last der Erdschichten, die Erdgas und Feuchtigkeit zu Gashydraten verpresst. Auf solche natürlichen Vorkommen stieß man erstmals Ende der 1960er im sibirischen Gasfeld „Messoyahka“. In den 1970ern spekulierten dann insbesondere russische Forscher über Lagerstätten auf dem Meeresboden. Im Jahre 1974 wurden Gashydrate schließlich vom Grund des Schwarzen Meeres geborgen. Anfang der 1980er fand man sie im Pazifik, später auch in anderen Gebieten. Das Wissenschaftlerteam von INGO konnte daher auf Proben unterschiedlicher Herkunft zurückgreifen. „Wir haben Material unter anderem aus dem Pazifik, dem Indischen Ozean und aus der kanadischen Arktis untersucht“, berichtet Schicks.

Zementierende Wirkung

Wesentlicher Bestandteil des Projekts waren allerdings Messungen an Proben, die im Druckreaktor – also künstlich – hergestellt wurden. Bisweilen trieben die Wissenschaftler den Druck auf über 100 Bar, was dem 100fachen Luftdruck auf Meereshöhe entspricht. „Bei unseren Experimenten haben wir uns Schritt für Schritt den natürlichen Bedingungen angepasst und dabei Druck, Temperatur sowie die Zusammensetzung des Gases und den Salzgehalt des Wassers variiert“, beschreibt Schicks das Vorgehen. Zusätzlich schleusten die Forscher Sand- oder Sedimentproben in die Druckkammer. „Wir wollten verstehen, wie sich Gashydrate bilden. Insbesondere dann, wenn wie in der Natur, Sediment vorhanden ist. Wachsen Gashydrate an den Sedimentkörnern oder im Porenraum dazwischen?“ Eine Frage, die die Stabilität der Kontinentalhänge direkt betrifft. So nennen Ozeanographen die Region zwischen flachem Schelfmeer und Tiefsee, wo der Meeresboden von rund 200 Meter auf gut 4.000 Meter absackt. Das Gefälle ist teils gemächlich, teils geht es steil in die Tiefe. Verheerende Flutwellen können entstehen, kommt ein solcher Hang ins Rutschen. Judith Schicks vom Deutschen GeoForschungsZentrum weist daraufhin, dass Gashydrate den Untergrund stabilisieren: „Wachsen die Hydrate an den Sedimentkörnern, haben sie schon bei niedrigem Gehalt eine sehr gute, stabilisierende Wirkung. Das ist wie eine Art Zementierungseffekt. Ist es aber nicht der Fall, wachsen die Hydrate doch eher im Porenraum, dann sind viel größere Mengen an Gashydrat nötig, um das Sediment zusammenzuhalten. Infolge von INGO verstehen wir nun viel besser, welche lokalen Bedingung auf dem Meeresgrund dabei von Bedeutung sind.“

Vielfältige Untersuchungsmethoden

Das Team von INGO nahm die Gashydrate mit diversen Messverfahren unter die Lupe. Dabei ging es unter anderem um die Charakterisierung der Mikrostruktur. „Wir konnten nachweisen, dass gemischte Gashydrate innerhalb bestimmter Druck- und Temperaturbereiche in verschiedenen Strukturen nebeneinander existieren können. Es ist also nicht immer ein einheitlicher Feststoff“, meint die Chemikerin. „Dieser Laborbefund wurde kurz darauf von einer kanadischen Gruppe an einer natürlichen Probe bestätigt. Das war ein besonders schönes Ergebnis.“

Erforscht wurde außerdem, wie sich seismische Wellen (Erdbebenwellen) in hydrathaltigen Sedimenten ausbreiten. „Hierzu haben wir auch Computermodelle entwickelt“, so Schicks. „Solche Untersuchungen stehen im Zusammenhang mit der Tatsache, dass man seismische Methoden zum Aufspüren von Lagerstätten einsetzt.“

Die Untersuchungen umfassten außerdem die Bestimmung der thermodynamischen Eigenschaften der Gashydrate, allen voran die Zersetzungsenergie. „Dies ist interessant, wenn man das Gas aus natürlichen Hydratlagerstätten fördern möchte. Dann ist es natürlich wichtig zu wissen, wie viel Energie man reinstecken muss, um Gashydrate in ihre Bestandteile aufzulösen“, erläutert Judith Schicks. Wichtig seien solche Untersuchungen allerdings auch im Zusammenhang mit der Globalen Erwärmung, betont sie. Denn Methan ist ein wirksames Treibhausgas. Schätzungen gehen davon aus, dass in Form von Gashydrat, gewaltige Mengen davon auf dem Boden der Ozeane und im Permafrost lagern. Damit stellt sich die Frage, wie Gashydrate auf eine Temperaturerhöhung reagieren: Wie viel Wärme können sie aufnehmen, bevor es zu einer massiven Freigabe von Methangas kommt?

„Dies ist nicht so einfach zu sagen“, gibt die Chemikerin zu bedenken. „Es hängt davon ab, welche Vorkommen man betrachtet, in welcher Tiefe sie liegen und welche Bedingungen dort jetzt herrschen. Hier warne ich vor pauschalen Prognosen.“

Weiteren Forschungsbedarf sieht Judith Schicks allerdings nicht nur in diesem Bereich. „Gemischte Gashydrate haben sich nach wie vor als sehr komplex herausgestellt. Besonders der Bildungsmechanismus wirft weiterhin Fragen auf. Den wollen wir uns in Zukunft noch gezielter anschauen.“

MN, iserundschmidt 07/2008


Mehr Informationen zum Projekt INGO finden Sie hier.

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