-
Derzeitige Klimamodelle prognostizieren eine Steigerung der globalen Durchschnittstemperatur von 1,5 °C bis zum Jahr 2030 infolge des menschengemachten Klimawandels. Der menschengemachte Klimawandel ist unter anderem auf den stetig steigenden Anteil von Kohlenstoffdioxid in der Erdatmosphäre zurückzuführen. Kohlenstoffdioxid lässt kurzwellige Strahlung zum großen Teil passieren, während es langwelligere Wärmestrahlung absorbiert und schließlich anschließend wieder emittiert. Ein Teil der emittierten Strahlung ist in Richtung der Erdoberfläche gerichtet, die hierdurch aufgeheizt wird und ebenfalls Wärmestrahlung emittiert. Diese wird erneut an den in der Erdatmosphäre enthaltenen Kohlenstoffdioxidmolekülen absorbiert und emittiert. Dieser Prozess wird fortwährend weitergeführt. Insgesamt wird das System mithin erwärmt, was zu einer Erhöhung der globalen Durchschnittstemperatur führt. Dabei trägt der Ausstoß von Methan aufgrund der auftauenden Permafrostböden zusätzlich zum Treibhauseffekt bei. Die Folgen des Klimawandels sind bereits jetzt in Form von Dürren, Stürmen und Überschwemmungen zu spüren.
-
Um den menschengemachten Klimawandel infolge der Erhöhung von Kohlendioxid in der Erdatmosphäre zu reduzieren, sind eine Vielzahl von Verfahren bekannt. So sind Verfahren bekannt, die eine Ozeandüngung vorsehen oder vorschlagen, Kohlenstoffdioxid aus der Erdatmosphäre zu entfernen. Darüber hinaus wird vorgeschlagen die Alkalität des Meerwassers zu erhöhen oder weitgehend aufzuforsten. Eine Ozeandüngung oder auch eine Erhöhung der Alkalität des Meerwassers würde jedoch erhebliche Auswirkungen auf die ozeanischen Ökosysteme sowie den pH-Wert mit unbekannten Folgen haben. Zugleich können diese Verfahren die Emission von anderen Treibhausgasen wie Methan hervorrufen. Insbesondere die Extraktion von Kohlenstoffdioxid aus der Luft birgt ein Problem der langzeitigen Speicherung des Gases. Geeignete Speicher müssten eine entsprechende Kapazität und eine langlebige Dichtigkeit aufweisen. Für die Aufforstung sind große Flächen erforderlich, die aufgrund der Urbanisierung, der Landwirtschaft und der Wüstenausbreitung nicht zur Verfügung stehen.
-
Darüber hinaus sind eine Vielzahl von Verfahren bekannt, die den Anteil der auf Erdoberfläche eintreffenden Sonneneinstrahlung reduzieren sollen, so beispielsweise die Installation von Spiegelflächen im Weltraum, die Einbringung von Aerosolen in die Stratosphäre, die Aufhellung von Wolken über dem Meer oder auch die Weißfärbung von Flächen. Allerdings sind die vorstehenden Maßnahmen mit einem erheblichen Aufwand verbunden oder erzeugen bei der Umsetzung wiederum große Mengen von Kohlenstoffdioxid.
-
Aufgabe
-
Es ist mithin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Verfahren zur Reduzierung des Treibhauseffekts zu entwickeln.
-
Lösung
-
Die vorstehende Aufgabe wird von einem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Das Verfahren sieht vor, dass ein für langwellige Strahlung inaktives Gas in einer entsprechend großen Menge in die Erdatmosphäre, vorzugsweise die Troposphäre, eingebracht wird, wodurch das Gesamtvolumen der Erdatmosphäre vergrößert wird.
-
Als ein „für langwellige Strahlung inaktives Gas“ wird im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Gas verstanden, das aufgrund seines chemischen Aufbaus nicht dazu befähigt ist, langwellige Strahlung zu absorbieren und emittieren. Dies liegt darin begründet, dass entsprechende zweiatomige Gasmoleküle symmetrisch aufgebaut sind und aus diesem Grund keine Schwingungsanregung durch langwellige Strahlung erfahren. Das Gas wirkt mithin transparent für langwellige Strahlung. Als langwellige Strahlung, worunter auch die Infrarotstrahlung fällt, wird dabei eine elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich von etwa 780 nm bis 1 mm verstanden.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren hat viele Vorteile. Insbesondere ermöglicht das Verfahren eine Verringerung des Treibhauseffekts. Die Hauptbestanteile der Erdatmosphäre sind Stickstoff mit einem Volumenanteil von rund 78%, Sauerstoff mit einem Volumenanteil von rund 21% sowie Argon mit einem Volumenanteil von rund 0,9 %. Hinzu kommen weitere Spurengase, insbesondere Kohlenstoffdioxid mit einem Volumenanteil von etwa 400 ppm (parts per million, Anteil pro Million). Insbesondere Kohlenstoffdioxid wirkt dabei als klimaschädliches Gas, da es Infrarotstrahlung absorbiert und eine anschließende Emission der Infrarotstrahlung ausgehend von der Erdoberfläche verhindert und mithin zu einer Erderwärmung führt.
-
Bei der Einbringung des für langwellige Strahlung inaktives Gases in die Erdatmosphäre, vorzugsweise in die Troposphäre, erfolgt eine Durchmischung der bereits in der Erdatmosphäre enthaltenen Gase mit dem eingebrachten Gas infolge von Wetterereignissen, thermischen Einflüssen und der Corioliskraft, sodass das eingebrachte Gas gleichmäßig in der Erdatmosphäre verteilt wird.
-
Zugleich wird nach dem Dalton'schen Gesetz aufgrund der Einbringung des Gases der Partialdruck dieses Gases erhöht, während sich die Partialdrücke der bereits in der Erdatmosphäre enthaltenen Gase nicht verändern. Als Folge ändert sich der auf der Erde messbare Luftdruck, wobei der Luftdruck entsprechend um den Partialdruck des eingebrachten Gases erhöht wird.
-
Aufgrund des erhöhten Luftdrucks erfolgt neben der Vergrößerung der Gesamtmasse der Erdatmosphäre nach dem Gesetz von Boyle Mariotte auch eine Vergrößerung des Gesamtvolumens der in der Erdatmosphäre enthaltenen Gase. Da die Masse der bereits in der Erdatmosphäre enthaltenen klimaschädlichen Gase, insbesondere Kohlenstoffdioxid, konstant bleibt, bewirkt die Vergrößerung des Gesamtvolumens eine relative Verringerung des Gehalts von bereits in der Erdatmosphäre enthaltenen klimaschädlichen Gasen, bezogen auf das Gesamtvolumen der Erdatmosphäre. Das eingebrachte Gas selbst ist nämlich für langwellige Strahlung inaktiv, kann langwellige Strahlung mithin nicht absorbieren und wirkt somit nicht schädlich auf das Klima.
-
Aufgrund des vergrößerten Gesamtvolumens vergrößern sich die mittleren Abstände zwischen den Molekülen der klimaschädlichen Gase, was zur Folge hat, dass ein höherer Anteil der Infrarotstrahlung, ohne von den Kohlenstoffdioxidmolekülen absorbiert zu werden, abgestrahlt werden kann. Insgesamt kann somit der Treibhauseffekt verringert werden. Im Ergebnis erfolgt eine Senkung der globalen Durchschnittstemperatur. Das Verfahren eignet sich mithin in besonderer Weise zur Eindämmung des menschengemachten Klimawandels und sollte in einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zur Vermeidung von Klimaschäden, die sich insbesondere nach Überschreitung der Steigerung der globalen Durchschnittstemperatur von 1,5° C ergeben, einbezogen werden.
-
Der vorstehend beschriebene Effekt konnte bei Untersuchung der zeitlichen Veränderung des Anteils von Kohlenstoffdioxids und Sauerstoff sowie der zeitlichen Veränderung der globalen Durchschnittstemperatur in einem Zeitraum von vor etwa 80 Millionen Jahren bis vor etwa 65 Millionen Jahren, welcher dem Eiszeitbeginn entspricht, festgestellt werden: Mittels einer Isotopenuntersuchung konnte ermittelt werden, dass der Anteil von Sauerstoff in der Erdatmosphäre zum Eiszeitbeginn um 5% angestiegen ist, wie aus 1 ersichtlich ist.
-
In demselben Zeitraum fiel der Anteil von Kohlenstoffdioxid in der Erdatmosphäre von 710 ppm (parts per million, Anteile pro Million) auf 220 ppm (parts per million, Anteile pro Million), wie sich der 2 entnehmen lässt.
-
In demselben Zeitraum ist die globale Durchschnittstemperatur dabei auf 2°C gesunken, wie aus der 3 ersichtlich ist.
-
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass eine Erhöhung des Anteils an Sauerstoff in der Erdatmosphäre mit einer Verringerung der globalen Durchschnittstemperatur korreliert.
-
Gemäß einer vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Menge des eingebrachten Gases in einem Bereich zwischen 0,1 % und 30,0 bezogen auf das Gesamtvolumen der Erdatmosphäre liegt. Es hat sich herausgestellt, dass eine derartige Menge mit technisch und wirtschaftlich vertretbarem Aufwand erzeugbar und gleichfalls gut dazu geeignet ist, zu einer wirksamen Erhöhung des Gesamtvolumens der Erdatmosphäre zu führen, sodass die mittleren Abstände der klimaschädlichen Moleküle derart vergrößert werden, dass eine deutliche Senkung der globalen Durchschnittstemperatur hervorgerufen werden kann.
-
Eine vorzugsweise Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das eingebrachte Gas Sauerstoff und/oder Stickstoff enthält oder hieraus besteht. Aufgrund ihrer „Klimaneutralität“ haben sich diese beiden Gase als besonders vorteilhaft für die Anreicherung der Erdatmosphäre mit einem Gas herausgestellt. Dies liegt darin begründet, dass die Einbringung dieser Gase zwar zu der gewünschten Volumenerhöhung der Erdatmosphäre führt, ohne hierbei jedoch einen negativen Einfluss auf das Klima zu haben. Auch sind die erforderlichen Änderungen im Anteil dieser Gase für die Biosphäre unschädlich. Es ist bekannt, dass Sauerstoff sowie Stickstoff nicht zu einer Erhöhung der globalen Durchschnittstemperatur führen, da sie inaktiv für die langwelligere Wärmestrahlung sind, diese mithin nicht absorbieren und anschließend emittieren und somit nicht zum Treibhauseffekt beitragen. Darüber hinaus hat insbesondere eine Erhöhung des Anteils von Sauerstoff in der Erdatmosphäre bis zu einem bestimmten Maß auf Menschen und das Ökosystem der Erde vorteilhafter Weise keinen negativen Einfluss, sodass der Anteil des Sauerstoffs ohne Bedenken erhöht werden kann. Insbesondere auch unter Berücksichtigung der steigenden Abholzung von Regenwäldern und der damit einhergehenden Reduzierung des Anteils an mittels Fotosynthese gewonnen Sauerstoffs ist die Erhöhung des Sauerstoffanteils besonders vorteilhaft.
-
Ebenso führt eine Erhöhung des Anteils von Sauerstoff in der Erdatmosphäre zu Molekülverbindungen, die bei biologischen und chemischen Prozessen entstehen. Diese Molekülverbindungen können wiederum das in der Erdatmosphäre enthaltene Kohlenstoffdioxid und/oder den darin enthaltenen Kohlenstoff für neue Molekülverbindungen nutzen und das Kohlenstoffdioxid somit vorteilhafter Weise aus der Erdatmosphäre entfernen. Mit anderen Worten führt die Erhöhung des Anteils von Sauerstoff somit auch indirekt zu einer Verringerung des Anteils von Kohlenstoffdioxid, wobei sich die Verringerung des Anteils von Kohlenstoffdioxid in der Erdatmosphäre ebenfalls positiv auf das Klima auswirkt.
-
Beispielsweise kann mittels der Erhöhung des Sauerstoffanteils von 21% auf 21,5 % die Kohlenstoffdioxid-Konzentration um 2,4 ppm (parts per million, Anteile pro Million) gesenkt werden. 2,4 ppm (parts per million, Anteile pro Million) ist die aktuell jährlich in die Erdatmosphäre eingetragene Menge an Kohlenstoffdioxid. Dies ist eine rein physikalische Betrachtung. Die mögliche Reduktion der Kohlenstoffdioxid-Konzentration durch biologische und chemische Prozesse wie vorstehend beschrieben ist hierbei nicht berücksichtigt. Eine Erhöhung des Anteils von Sauerstoff von 21% auf 21,5 % bezogen auf das Gesamtvolumen der Erdatmosphäre ist deshalb besonders bevorzugt.
-
Dabei kann ferner vorzugsweise vorgesehen sein, dass gleichzeitig ein Eintrag von Stickstoff erfolgt, um das derzeitige relative Volumenverhältnis von Stickstoff zu Sauerstoff beibehalten zu können. Vorzugsweise kann dabei vorgesehen sein, dass der Anteil von Sauerstoff, der in die Erdatmosphäre eingebracht wird, mittels einer Einbringung von Stickstoff, vorzugsweise in einem Verhältnis von 3:1, weiter vorzugsweise ist einem Verhältnis von 4:1, wobei Stickstoff den höheren Anteil ausmacht, ausgeglichen wird, sodass das natürliche relative Volumenverhältnis aufrechterhalten werden kann. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Anteil von Sauerstoff in einem Bereich von 0,1% bis 15,0 % bezogen auf das Gesamtvolumen erhöht wird, während der Anteil von Stickstoff in einem Bereich von 0,1 % bis 45% bezogen auf das Gesamtvolumen erhöht wird. Zudem würde ein Eintrag von Stickstoff den Anteil von Kohlendioxid in der Erdatmosphäre aufgrund der damit einhergehenden Vergrößerung des Gesamtvolumens der Erdatmosphäre weiter senken. Stickstoff kann beispielsweise durch Denitrifikation von Nitraten gewonnen werden, die in Gebieten wie der Atacama Wüste in Chile aus großen Vorkommen gewonnen werden können.
-
Gemäß einer vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das eingebrachte Gas aus der Erdkruste, vorzugsweise mittels eines Reduktionsverfahrens, gewonnen wird. Mittels einer Gewinnung des Gases aus der Erdkruste kann vorteilhaft sichergestellt wird, dass das Verfahren auf der Erde durchgeführt werden kann. Beispielsweise kann die Schmelzflusselektrolyse dabei als Reduktionsverfahren eingesetzt werden, bei der Oxide unter Ausbildung von Sauerstoff reduziert werden und welches ebenfalls zur Gewinnung von Sauerstoff auf dem Mond eingesetzt werden soll.
-
Dabei sieht eine weitere vorzugsweise Ausgestaltung der Erfindung vor, dass der Sauerstoff mittels Reduktion von Siliziumdioxid, das Siliziumdioxid vorzugsweise entnommen aus Wüstensand, gewonnen wird. Wüstensand liegt in großen nahezu „unerschöpflichen“ Mengen vor und kann aufgrund seiner Grobkörnigkeit nicht in der Bauindustrie verwendet werden. Vorteilhafter Weise wird mittels einer Verwendung von Wüstensand nicht zugleich eine Verknappung von anderen Rohstoffen hervorgerufen. Ebenso kann jedoch auch ein anderes in der Erdkruste vorkommendes Oxid zur Gewinnung des Sauerstoffs verwendet werden.
-
Gemäß einer vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass bei dem Reduktionsverfahren zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, eine regenerative Energiequelle, insbesondere Solarenergie und/ oder Windenergie genutzt wird. Entgegen den bekannten Verfahren wird somit lediglich ein geringer Anteil an Kohlenstoffdioxid, vorzugsweise jedoch kein weiteres Kohlenstoffdioxid bei der Entfernung des Kohlenstoffdioxids selbst aus der Erdatmosphäre erzeugt. Das Verfahren ist mithin ebenfalls weitestgehend klimaneutral. Insbesondere wenn als in die Erdatmosphäre einzubringendes Gas Sauerstoff verwendet wird, dass mittels Reduktion von Wüstensand gewonnen wird, eignet sich die Verwendung von Solarenergie aufgrund der starken Sonneneinstrahlung in den entsprechenden Wüstengebieten in besonderem Maße.