Ein Team von Wissenschaftler:innen der australischen Edith-Cowan-Universität hat nachgewiesen, dass das eisenhaltige Mineral Magnetit auf natürliche Weise Wasserstoffgas erzeugen kann. Die in der Region Pilbara in großen Mengen vorkommenden gebänderten Eisenerzformationen könnten sich demnach als Quelle für sogenannten weißen oder geogenen Wasserstoff erweisen.
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Dieser weiße Wasserstoff unterscheidet sich von der künstlich hergestellten Variante, für die normalerweise große Mengen an Energie in Elektrolyseuren aufgewendet werden müssen. Die direkte Entnahme aus natürlichen geologischen Speichern gilt in der Forschung als vielversprechender Ansatz zur Reduzierung von Treibhausgasen.
Für die Untersuchung simulierten die Forscher:innen die Bedingungen tief unter der Erdoberfläche, wie in einer im Fachmagazin International Journal of Hydrogen Energy veröffentlichten Studie zu lesen ist. Sie setzten reines Magnetit für 60 Tage bei 200 Grad Celsius und einem Druck von über 100 bar einem deoxygenierten Wasserbad aus.
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Chemische Reaktionen von Magnetit und Wasser
Unter diesen definierten thermischen und physikalischen Bedingungen reagiert das im Magnetit enthaltene zweiwertige Eisen kontinuierlich mit dem heißen Wasser. Das Mineral oxidiert dabei zu dreiwertigem Eisen, wandelt sich in Hämatit um und spaltet den Sauerstoff ab, wodurch molekularer Wasserstoff freigesetzt wird.
Die Ausbeute des Gases hängt der Studie zufolge nicht allein von der vorhandenen Menge des Minerals ab, sondern von der direkt zugänglichen Oberfläche. In den Laborversuchen erzeugte feines Magnetitpulver eine fünfmal höhere Wasserstoffausbeute als die zum Vergleich herangezogenen intakten Gesteinsblöcke.
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Um diese Vorgänge präzise zu dokumentieren, nutzten die Wissenschaftler:innen hochauflösende Analyseverfahren wie Rasterkraftmikroskopie und Röntgendiffraktometrie. Diese Messungen zeigten nach der hydrothermalen Behandlung eine deutliche Veränderung der Oberflächenstruktur und eine Verdreifachung der Gesteinshärte.
Die Bedeutung der Gesteinsstruktur für geogenen Wasserstoff
Bei den soliden Gesteinsblöcken bildete sich während der chemischen Reaktion eine passivierende Schicht aus dem neu entstandenen Hämatit. Diese mineralische Schicht verlangsamt den weiteren Kontakt mit dem Wasser und bremst somit die kontinuierliche Wasserstoffproduktion ab.
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Für eine nutzbare Wasserstoffproduktion in der Natur sind daher durchgängige Klüfte, Risse und durchlässige Poren im Gestein erforderlich. Nur durch diese strukturellen Hohlräume kann das Wasser an frische Mineraloberflächen gelangen und den Oxidationsprozess dauerhaft aufrechterhalten.
In Gesteinsschichten mit geringer Permeabilität wird die Ausbeute durch die Hämatit-Schicht naturgemäß stark eingeschränkt bleiben. Geologische Zonen mit starken Verformungen oder tektonischen Rissen bieten hingegen mehr Angriffsfläche und versprechen folglich eine deutlich höhere Wasserstoffproduktion.
Künstliche Stimulation der Gesteinsformationen in der Pilbara-Region
Die Studienergebnisse legen nahe, dass sich dieser natürlich ablaufende Prozess durch menschliche Eingriffe anregen und kontrolliert steigern ließe. Durch die gezielte Injektion von Flüssigkeiten in die Gesteinsformationen könnte die Wasserstoffproduktion laut einem Bericht auf Science Daily gesteigert werden.
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Ein solches Vorgehen würde Prinzipien aufgreifen, die bereits aus der Geothermie oder der konventionellen Rohstoffförderung bekannt sind. Für den rohstoffreichen Staat Australien eröffnet sich damit eine Perspektive auf eine wirtschaftlich verwertbare und heimische Energiequelle.
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„Diese Arbeit hilft dabei, die Lücke zwischen Laborexperimenten und realen geologischen Systemen zu schließen“, erklärt Stefan Iglauer, Professor an der Edith-Cowan-Universität. Ob sich diese Methodik jedoch in einem wirtschaftlich tragfähigen Maßstab auf unterirdische Formationen übertragen lässt, müssen weitere geologische Untersuchungen vor Ort zeigen.
Der Aufbau einer industriellen Förderinfrastruktur erfordert zunächst die Bewältigung technischer Hürden bei der Erschließung tief liegender Eisenerzformationen. Auch die dauerhafte Offenhaltung der künstlich geschaffenen oder natürlichen Fließwege im Gestein dürfte Ingenieur:innen vor komplexe Aufgaben stellen.
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