Versorgt für 50.000 Jahre: Forschungsteam will kritische Rohstoffe direkt aus dem Meerwasser holen

Im Meerwasser der Erde stecken gewaltige Mengen an Rohstoffen, die die Industrie heute mühsam aus Gestein gräbt. Forscher:innen des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) rechnen vor, dass schon 0,1 Prozent des weltweiten Meerwassers genug Magnesium, Lithium und andere kritische Mineralien enthält, um den globalen Bedarf über 50.000 Jahre zu decken. Das Team um die Chemikerin Chinmayee Subban entwickelt drei Verfahren, die genau diese Ressource anzapfen sollen, teils direkt aus dem Ozean, teils als Nebenprodukt der Meerwasserentsalzung. Ganz neu ist die Idee nicht: Die USA gewannen Magnesium fünf Jahrzehnte lang aus Meerwasser, bevor sie in den Neunzigerjahren auf Importe umstiegen.

Viele Rohstoffe, noch mehr Wasser

Die schiere Menge an Wasser ist das eigentliche Hindernis. Ein olympisches Schwimmbecken voller Meerwasser, etwa 2,27 Millionen Liter, enthält knapp 2.980 Kilogramm Magnesium. Lithium kommt in derselben Wassermenge nur auf 0,42 Kilogramm, Nickel gerade einmal auf 0,00095 Kilogramm, weniger als eine Büroklammer wiegt. Um wirtschaftlich interessante Mengen zu gewinnen, müssten also enorme Wasservolumen bewegt werden, was Energie und Kosten in die Höhe treibt. Subban und ihr Team wollen deshalb möglichst viele Mineralien aus demselben Wasserstrom holen, statt für jedes Element eine eigene Anlage zu bauen. Ein Vorteil dabei: Meerwasser hat weltweit eine ähnliche chemische Zusammensetzung, sodass sich eine an einem Standort entwickelte Technologie vergleichsweise schnell auf andere Küstenregionen übertragen lässt.

Magnesium ohne Umwege

Klassisch wird Magnesium über den sogenannten Dow-Prozess gewonnen, bei dem Kalk das Magnesiumhydroxid ausfällt, gefolgt von Salzsäure-Behandlung und Elektrolyse. PNNL lässt stattdessen Meerwasser und Natronlauge in einem Co-Flow-Reaktor nebeneinander fließen. An der Grenzfläche der beiden Ströme reagiert Magnesium mit Hydroxid-Ionen und fällt als hochreines Magnesiumhydroxid aus, während Kalzium im Wasser bleibt. Das patentierte Verfahren spart mindestens vier Prozessschritte gegenüber der alten Methode und soll bald an PNNLs Meeresforschungsstation in Sequim im US-Bundesstaat Washington eingesetzt werden. Wie sich das im großen Maßstab rechnet, hat die Umweltingenieurin Brooke Marten am Beispiel der Entsalzungsanlage in Carlsbad, Kalifornien, durchgerechnet: Bei 108 Millionen Gallonen verarbeitetem Meerwasser pro Tag und vollständiger Rückgewinnung kämen 524.000 Kilogramm Magnesiumhydroxid zusammen, mehr als das Dreifache des aktuellen US-Verbrauchs.

Nach der Magnesiumgewinnung durchläuft das Wasser die reguläre Umkehrosmose-Entsalzung und hinterlässt hochkonzentrierte Sole. Genau hier setzt der zweite Ansatz an: Die Bipolar-Membran-Elektrodialyse spaltet die Sole mithilfe von Strom und speziellen Membranen in einen alkalischen und einen sauren Strom. Der alkalische Anteil fließt zurück ins Meer, der saure dient als Laugungsmittel für Olivin, ein nickelhaltiges Gestein. Im Test löste die Abfallsäure 37 Prozent mehr Nickel aus Olivin als handelsübliche Salzsäure gleicher Stärke. In einem weiteren Experiment fütterten die Forscher:innen Mikroalgenkulturen mit derselben Säure, die dadurch mehr gelöstes Kohlendioxid zur Photosynthese nutzen konnten und rund drei Mal schneller wuchsen.

Seetang als Mineraliensammler

Der dritte Baustein nutzt Seetang, der Mineralien aus dem Meerwasser in seinem Gewebe anreichert, teils millionenfach konzentriert. Der Forschungsbotaniker Scott Edmundson und sein Team zerkleinern geernteten Seetang zu einer Paste, geben eine saure Laugungsflüssigkeit hinzu und erhitzen das Gemisch, um die chemischen Bindungen aufzubrechen. Ziel ist eine Rückgewinnungsquote von mindestens 50 Prozent, die bislang aber nur schwer zuverlässig zu erreichen ist.

Alle drei Verfahren laufen bisher im Labormaßstab. PNNL hat noch keine wirtschaftlich tragfähige Anlage im industriellen Maßstab demonstriert, und offene Fragen zu Chemikalieneinleitung, Solemanagement und Auswirkungen auf Meereslebewesen sind nicht abschließend geklärt. Besonders die Seetang-Route steckt noch in einem frühen Stadium und würde Anbau, Ernte und Verarbeitung in gewaltigem Umfang voraussetzen. Trotzdem zeigt das Projekt, wie viel ungenutztes Potenzial im Ozean schlummert.

via Pacific Northwest National Laboratory