Geoengineering

Der Begriff Geoengineering (auch Geo-Engineering oder Climate Engineering) bezeichnet vorsätzliche und großräumige Eingriffe mit technischen Mitteln in geochemische oder biogeochemische Kreisläufe der Erde. Als Ziele derartiger Eingriffe werden hauptsächlich das Stoppen der globalen anthropogenen Klimaerwärmung, der Abbau der CO₂-Konzentration in der Atmosphäre oder die Verhinderung einer Versauerung der Meere genannt.

Es gibt zwei großen Gruppen von vorgeschlagenen Geoengineering-Maßnahmen: Mit Solar Radiation Management soll mehr der einfallenden Sonnenstrahlung reflektiert werden, mit Carbon Dioxide Removal soll das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid (CO₂) aus der Atmosphäre entfernt werden.

Viele vorgeschlagene Geonengineering-Technologien sind noch nicht verfügbar und ihre technische Machbarkeit, ihre gesellschaftlichen und politischen Implikationen sowie ihre Folgen für die Umwelt nicht gut verstanden. Viele Vorschläge sind mit sehr hohen Kosten und Risiken verbunden. Die meisten Untersuchungen kommen überein, dass Geoengineering nicht Klimaschutz und -anpassung ersetzen kann.

Geschichte

Versuche zur regionalen Wettermodifikation gibt es seit Jahrhunderten, etwa 50 Staaten verfolgen auch heute solche Ansätze. Die erste Empfehlung, die Möglichkeiten und Auswirkungen, eine globale menschengemachte Erwärmung durch Erhöhung des Reflexionsvermögens (Albedo) der Erde zu kompensieren, zu erforschen, ist auf das Jahr 1965 datiert. In einem Forschungsbericht mit dem Namen Restoring the Quality of Our Environment, der für den Präsidenten der USA angefertigt worden war, wurde der Begriff „Geoengineering“ allerdings noch nicht verwendet.

Der Begriff Geoengineering wurde in den 1970er Jahren vom italienischen Physiker Cesare Marchetti geprägt. Marchetti verband ihn mit seinem Vorschlag einer CO₂-Abscheidung und -Speicherung (CCS): Um der Gefahr einer Erderwärmung zu begegnen, sollte CO₂ in Kohlekraftwerken und Erdölraffinerien abgeschieden und in dauerhafte Speicher geleitet werden – er gab dabei dem Transport in die Tiefsee mittels Meeresströmungen den Vorzug vor den begrenzten Kapazitäten erschöpfter Erdgasfelder.

Anfangs nur in wissenschaftlichen Kreisen verwendet, wurde der Begriff durch die Veröffentlichung einer Studie der National Academy of Sciences über die möglichen Auswirkungen der Klimaerwärmung im Jahr 1992 aber einer breiteren Öffentlichkeit bekannt. Um das Jahr 2000 herum war die Forschung soweit fortgeschritten, dass eine erste Übersichtsarbeit erschien. Auch erste Veröffentlichungen zu Simulationsmodellen erschienen um die Jahrtausendwende.

Mit einer einflussreichen Veröffentlichung des Nobelpreisträgers Paul Crutzen im Jahr 2006 zur Injektion von Schwefel in die Stratosphäre rückte Geoengineering weiter in den Blickpunkt der Öffentlichkeit. Mehr Naturwissenschaftler begannen, Vorschläge des Geoengineering zu untersuchen. Gesellschaftliche, politische, ethische und rechtliche Implikationen rückten in den Blickpunkt von Sozialwissenschaftlern, Philosophen, Ökonomen, Politik- und Rechtsexperten.

Während bis Mitte der 2000er Jahre diese rein technischen Ansätze in politischen und wissenschaftlichen Kreisen wenig ernst genommen wurden, werden seitdem im Zuge der anhaltenden Diskussion über die Klimaerwärmung derartige Strategien nicht nur von Wissenschaftlern häufiger vorgeschlagen, sondern auch von einzelnen Regierungen ernsthaft in Erwägung gezogen. Erste Tests wurden durchgeführt (Experimente EisenEx und LOHAFEX) und weitere befinden sich in Planung bzw. wurde deren Durchführung aufgrund des öffentlichen Drucks verschoben (SPICE-Experiment).

Begrifflichkeit und Klassifizierung

Definition

Der Weltklimarat definiert in seinem fünften Sachstandsbericht Geoengineering als „eine breite Gruppe von Methoden und Technologien, die darauf zielen, vorsätzlich das Klimasystem zu ändern, um die Folgen des Klimawandels abzumildern.“ (IPCC: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Annex III: Glossary). Die Royal Society bezeichnet in ihrer ähnlichen Definition Geoengineering als den „vorsätzlichen großskaligen Eingriff in das Klimasystem der Erde, um die globale Erwärmung abzubremsen.“

Vorsätzlichkeit und Großskaligkeit werden in der Regel als wesentlich für die Definition angesehen. So entstehen bei der Verbrennung von Kohle und Öl in Kraftwerken und Motoren neben CO₂ auch Sulfataerosole, die eine kühlende Wirkung auf das Klima haben. Weil die Klimawirkung jedoch unbeabsichtigt ist, zählt dies nicht zum Geoengineering. Das Ziel großräumiger und langfristiger Klimaänderungen unterscheidet das Geoengineering von der eher kleinräumigen, kurzlebigen Wettermodifikation.

Der Wortbestandteil Engineering kann den irreführenden Eindruck erwecken, dass es beim Geoengineering um die technische Kontrolle des gesamten Klimasystems geht. Bei großskaligen Eingriffen in Elemente des Strahlungshaushalts und des Kohlenstoffkreislaufs der Erde sind weit reichende Nebeneffekte schwer vorhersehbar und kaum vermeidbar.

Hauptgruppen

Es sind sehr unterschiedliche Überlegungen, die im Begriff „Geoengineering“ zusammengefasst werden. Aufgrund ihres unterschiedlichen Lösungsansatzes werden diese Vorschläge in zwei Hauptgruppen unterteilt:

Beeinflussung der Sonneneinstrahlung (Strahlungsmanagement, engl. Solar Radiation Management, SRM)

Vorgeschlagene Techniken zur Reduktion der Sonneneinstrahlung (Solar Radiation Management (SRM))

Diese Techniken zielen darauf ab, die Reflexion des einfallenden kurzwelligen Sonnenlichts zu erhöhen. Damit wirken sie dem globalen Temperaturanstieg entgegen. Die eigentliche Ursache dieses drohenden Temperaturanstiegs, die Konzentration der Treibhausgase in der Atmosphäre und deren weitere Auswirkungen, wie die Versauerung der Meere, kann mit SRM nicht direkt beeinflusst werden; ein früherer Klimazustand lässt sich damit nicht wieder herstellen.

Es wird vermutet, dass diese Methoden im Falle einer drohenden Klimakatastrophe relativ rasch einen kühlenden Effekt bringen würden. Insbesondere Aerosolausbringungsmethoden bergen aber große Risiken in Hinblick auf unerwünschte Nebeneffekte (wie beispielsweise eine Schädigung der Ozonschicht oder negative Auswirkungen auf die Gesundheit von Menschen, Tier- und Pflanzenwelt).

Reduzierung der CO₂-Konzentration in der Atmosphäre (engl. Carbon Dioxide Removal, CDR)

Carbon Dioxide Removal zielt darauf, mehr CO₂ aus der Atmosphäre in Kohlenstoffsenken wie die Ozeane, die Biosphäre oder den Boden (Pedosphäre) gelangen zu lassen („negative Emissionen“). Es umfasst direkte CO₂-Beeinflussungsmethoden wie Luftfilterung, CO₂-Abscheidung und -Speicherung (CCS), aber auch indirekte Methoden, die die Aufnahmefähigkeit von Kohlenstoffsenken erhöhen sollen, wie Düngung der Meere mit Eisen oder Phosphor.

Da diese Methoden direkt an der Hauptursache des Klimawandels, den steigenden CO₂-Konzentrationen, ansetzen, werden ihre Unsicherheiten und Nebenwirkungen als im Vergleich zum Strahlungsmanagement geringer eingeschätzt. Es bestehen aber, zum Beispiel wegen Rückkopplungen mit Kohlenstoffsenken, mit anderen biogeochemischen Kreisläufen wie dem Wasserkreislauf und der Oberflächenalbedo der Erde, immer noch erhebliche Unsicherheiten. CDR-Methoden brauchen viele Jahrzehnte, um signifikante Verringerungen von Treibhausgaskonzentrationen zu erreichen. Im Gegensatz zu SRM-Methoden sind sie also erst langfristig wirksam. Die Wirkung auf die Weltmeere ist noch deutlich träger. Wenn die CO₂-Emissionen weiter steigen wie bisher, wird die resultierende Versauerung der Meere, durch die zahlreiche marine Spezies vom Aussterben bedroht sind, auch mit CDR noch über Jahrhunderte anhalten.

Daneben gibt es weitere Maßnahmen, die keiner der beiden Gruppen klar zuzuordnen sind. Hohe Zirruswolken haben eine erwärmende Wirkung auf das Klima. Das Einbringen bestimmter Eiskristalle als Wolken-Kondensationskeime durch Flugzeuge könnte ihre Eigenschaften derart ändern, dass durch sie mehr der langwelligen Wärmestrahlung die Atmosphäre verlässt. In dieser Hinsicht ähnelt die Maßnahme dem Carbon Dioxide Removal, denn bei einer Verringerung der CO₂-Konzentrationen kann ebenfalls mehr langwellige Wärmestrahlung entweichen. Andererseits weist es Charakteristika des SRM auf, zum Beispiel droht bei dieser Maßnahme ebenfalls ein Terminationseffekt, d. h. eine abrupte Erwärmung, wenn sie unterbrochen wird. Um diesen wichtigen Vorschlag auch unter das Strahlungsmanagement zu gruppieren, spricht man manchmal von Radiation Management (RM) statt Solar Radiation Management (SRM).

Gelegentlich werden auch technische Maßnahmen diskutiert, die den Eintritt des Treibhausgases Methan aus natürlichen Reservoirs in die Atmosphäre verhindern oder die es wieder aus der Atmosphäre entfernen sollen (Methane removal).

Wichtige Merkmale

Vorgeschlagene Geoengineering-Techniken lassen sich u. a. unterscheiden

• nach der Skalierung und Intensität ihres notwendigen Einsatzes bzw. ihrer Wirkung
• danach, ob sie grenzüberschreitend bzw. auf globale Allemendegüter Wirkung haben (zu letzteren zählen der globalen Wasserhaushalt, die Weltmeere, die Antarktis oder die Atmosphäre)
• nach der Schnelligkeit, mit der sie wirksam werden, und der Dauerhaftigkeit ihrer Wirkung.

Ob eine Geoengineering-Technik lediglich regional oder grenzüberschreitend wirksam ist, ist entscheidend für ihre politische und völkerrechtliche Bewertung.

Generell sind Maßnahmen des Strahlungsmanagement viel schneller wirksam als CDR-Maßnahmen aber auch weniger dauerhaft. Werden sie unterbrochen, droht der sogenannte Terminationseffekt oder Terminationsschock: rapide Klimaänderungen, die um ein Vielfaches schneller verlaufen würden als der jetzige – nach geologischen Maßstäben – ohnehin schon sehr schnell verlaufenden Klimawandel.

Abgrenzung zu Klimaschutz und -anpassung

Die Grenzen zwischen Geoengineering, Klimaschutz und -anpassung sind unscharf. Der Weltklimarat fasst unter den Begriff Klimaschutz solche Maßnahmen, die den Ausstoß von Treibhausgasen reduzieren oder die Aufnahmefähigkeit von Kohlenstoffsenken verbessern. Unter dieses Verständnis fallen viele Formen des Carbon Dioxide Removal: CO₂-Abscheidung und -Speicherung etwa verringert Emissionen, Aufforstungen können die Biosphäre als Kohlenstoffsenke erweitern. Zur Klimaanpassung zählen, laut Weltklimarat, Maßnahmen, die die Verwundbarkeit natürlicher und menschlicher Systeme gegen die Folgen des Klimawandels verringern. Maßnahmen des Strahlungsmanagements wie das Weißen von Dächern, die vor allem kleinräumige Klimaänderungen wie ein kühleres Stadtklima bewirken, sind demzufolgen Klimaanpassungsmaßnahmen, werden aber auch manchmal zum Geoengineering gezählt.

Solar Radiation Management

Methoden des Strahlungsmanagements (SRM) bezwecken eine höhere Reflexion der einfallenden Sonnenstrahlung bzw. eine verringerte Absorption am Erdboden. Sie lassen sich nach dem Ort bzw. der Höhe (Erdoberfläche, Troposphäre, Stratosphäre, Weltall) des vorgeschlagenen Eingriffs unterscheiden. Die Diskussion um SRM-Maßnahmen konzentriert sich auf das Aufhellen von Wolken und das Einbringen von Schwefelaerosolen in die Stratosphäre. Methoden an der Erdoberfläche gelten als zu wenig effektiv, solche im Weltall als technisch zu schwer realisierbar und zu teuer.

Regionale Temperaturänderungen gegenüber dem Klimazustand vor der Industrialisierung, wenn die globale Erwärmung infolge einer vierfachen Menge CO₂ durch idealisiertes SRM rechnerisch ausgeglichen wird. Typisch in den meisten Modellläufen: relativ kühlere Tropen und wärmere höhere Breiten

SRM kühlt in erster Näherung die Regionen, in die reflektierte Sonnenstrahlung einfallen würde. Damit hängt seine Wirkung von der Tageszeit und vom Breitengrad ab. Anders die Erwärmung durch Treibhausgase: Sie sind gleichmäßig in der Erdatmosphäre verteilt und halten zu jeder Tageszeit und in jeder Breite die Wärmerückstrahlung der Erdoberfläche zurück. Schon dadurch kann SRM nicht den Klimazustand herstellen, der vor dem Anstieg der Treibhausgaskonzentrationen herrschte. Auch die Wirkung auf den Wasserkreislauf der Erde ist eine deutlich andere, wahrscheinlich würden in mittleren und hohen Breiten die Niederschläge zurückgehen, in den Tropen zunehmen. Um die Wirkung von SRM abschätzen zu können, sind daher Computersimulationen mit Klimamodellen erforderlich.

SRM-Methoden begegnen nicht der Versauerung der Meere und der zusätzlichen Aufnahme von atmosphärischem CO₂ in der Biosphäre, die verringerte Sonneneinstrahlung würde noch zusätzlich das Pflanzenwachstum beeinflussen. Auch in dieser Hinsicht wäre SRM kein zurück zum Status quo ante. Die kühlende Wirkung von SRM würde sehr schnell eintreten, würde aber auch in kurzer Zeit enden, wenn SRM-Maßnahmen nicht fortgeführt würden. Damit droht der Terminationseffekt, ein abrupter Klimawandel in wenigen Jahren.

Erhöhung der Oberflächenalbedo

Grundsätzlich bestehen Vorschläge zur Erhöhung der Reflexionsfähigkeit der Erdoberfläche darin, diese „heller“ zu machen. Ihre Grenzen finden sie in der verfügbaren Landoberfläche, die Helligkeit von Wasserflächen lässt sich kaum modifizieren. Ihre Effektivität hängt auch stark davon ab, wie viel Sonnenstrahlung den Ort der Maßnahme erreicht, was wiederum von der mittleren Wolkenbedeckung oder dem Breitengrad abhängt.

Vorgeschlagene Maßnahmen sind: das Weißen von Dach- und Siedlungsflächen, was aber eine regional begrenzte Wirkung hat, der Anbau hellerer Gräser und Feldfrüchte oder das Bedecken großer Wüstenflächen mit reflektierendem Material. Kostenschätzungen für einen global wirksamen Einsatz dieser Maßnahmen reichen in die hunderte Milliarden bis Billiarden US$ pro Jahr.

Erhöhung der Wolkenalbedo

Es gibt eine Reihe von Untersuchungen zur Erhöhung des Reflexionsvermögens niedriger Wolken über Teilen der Ozeane. Dies kann mit kleineren und langlebigeren Wolkentröpfchen erreicht werden. Eine Möglichkeit, die Wolkenbildung dementsprechend zu beeinflussen, sind Flugzeuge, Schiffe oder andere speziell für diesen Zweck entworfene Wasserfahrzeuge, die Meerwasser oder Meersalz in Form feiner Partikel in die Luft sprühen. Der Ingenieur Stephen Salter schlug vor, dass eine Flotte von windbetriebenen Glasfaserbooten mit Unterwasserturbinen Sprühwasser erzeugen könne.

Stratosphärische Aerosole

Schwefeldioxid

Ein prominenter Ansatz lautet, Schwefeldioxid in die Stratosphäre zu befördern, die dort zu Sulfaten oxidieren. An diese Sulfate lagert sich Wasser, so dass Schwefelaerosole entstehen, welche Sonnenstrahlen ins All reflektieren und damit die Erwärmung der Erde abschwächen. Die Idee basiert auf Erfahrungen mit Vulkanausbrüchen. So führte der Ausbruch des Pinatubo 1992 zu einem globalen Temperaturabfall von 0,5 °C. Der Ausbruch des Toba vor etwa 75.000 Jahren führte zu einem vulkanischen Winter, der mit geschätzten 3-5 °C, anderen Modellrechnungen zufolge sogar 8-17 °C Abkühlung einherging. Die Lebensdauer dieser Aerosole in der Stratosphäre beträgt etwa ein Jahr.

Die Idee stammt ursprünglich von dem russischen Klimatologen Michail Budyko, der sie bereits Mitte der 1970er Jahre veröffentlichte. Der Atmosphärenwissenschaftler Ken Caldeira und die Physiker Lowell Wood und Nathan Myhrvold von der Firma Intellectual Ventures entwickelten den Ansatz, Schwefeldioxid mit Hilfe eines etwa 25 km langen und wenige Dezimeter durchmessenden Schlauchs in die Stratosphäre zu pumpen. Heliumballons würden den Schlauch und mehrere daran befestigte Pumpen tragen. Das am Ende des Schlauchs austretende farblose Flüssiggas würde sich durch Stratosphärenwinde innerhalb von etwa 10 Tagen um die Erde legen. Das Schwefeldioxid könnte als Abfallprodukt aus dem Ölsandbergbau in Kanada stammen. Die notwendige Menge an Schwefel entspricht laut den Entwicklern etwa 1 % der weltweiten Schwefelemissionen. Insgesamt würde die Neutralisierung der globalen Erwärmung 250 Millionen US$ kosten, was verglichen mit den von Nicholas Stern in Verbindung mit Emissionseinsparungen genannten Kosten von jährlich 1,2 Billionen Dollar extrem gering wäre. Zum Vergleich: die Al Gore Foundation gibt jedes Jahr 300 Millionen Dollar für Öffentlichkeitsarbeit aus. Eine auf dem gleichen physikalischen Mechanismus basierende Idee von Intellectual Ventures ist, die Schornsteine mehrerer schwefelemittierender Fabriken mit Hilfe von Heißluftballons und Luftschiffen in die Stratosphäre zu verlängern.

Mehrere namhafte Wissenschaftler, so der Chemienobelpreisträger Paul Crutzen und der Präsident der NAS, Ralph J. Cicerone, befürworten die ähnliche Überlegung, mit Schwefel beladene Heißluftballons in die Stratosphäre aufsteigen zu lassen, um sie dort zu verbrennen. Diese Methode würde laut Crutzen jährlich lediglich 25 bis 50 Milliarden US$ kosten, wird aber von einigen Wissenschaftlern aufgrund möglicher unvorhersehbarer Effekte und der Notwendigkeit eines dauerhaften Schwefeltransports kritisiert. So ist die notwendige Menge an Schwefelaersolen schwer zu bestimmen, weil – wenn bereits Kondensationskeime in der Stratosphäre vorhanden sind – sich das Sulfat eher an diese anlagern könnte statt neue zu bilden. Schwefelaerosole können außerdem die Ozonschicht schädigen.

Alumina (Aluminiumoxid)

Im Zuge der American Association for the Advancement of Science (AAAS) Conference 2010, San Diego am 20. Februar 2010, wurde vom kanadischen Geoingenieur David W. Keith (University of Calgary) vorgeschlagen, Aluminiumoxid anstatt Schwefeldioxid zu verwenden. Begründet wurde dieser Vorschlag mit einem 4-fach größeren Strahlungsantrieb und einem ca. 16-fach geringeren Gerinnungsfaktor. Derselbe Albedoeffekt könne so mit deutlich geringeren Mengen Aluminiumoxid, anstatt Schwefeldioxid, bewerkstelligt werden.

Am 7. September 2010 veröffentlichte David W. Keith den Vorschlag, aus Aluminium, Aluminiumoxid und Bariumtitanat bestehende Nanopartikel in der Stratosphäre auszubringen, um Sonnenlicht zu reflektieren.

Die 10 Mikrometer breiten und 50 Nanometer dicken Scheiben sollen in einer Höhe von 40 bis 50 km, knapp über der Stratosphäre, durch Nutzung des photophoretischen Effektes, dauerhaft schweben. Während die Bariumtitanatseite der Erde zugewandt sein soll, sollte die aus Aluminium/Aluminiumoxid bestehende Seite der Sonne zugewandt sein. Das auftreffende Sonnenlicht würde größtenteils reflektiert werden, was den Albedoeffekt erhöht und somit zur Kühlung der Erde beitragen könnte. (Der Effekt der Photophorese kann auch bei der Lichtmühle beobachtet werden, deren Rad sich bei Lichteinfall dreht.)

Durch die Sonneneinstrahlung werden die Nanopartikel erwärmt. Da Bariumtitanat Wärme und Energie leichter abgibt als Aluminium, wäre der – durch den photophoretischen Effekt entstehende – Druck auf die Unterseite größer als die Richtung Erde wirkenden Kräfte. Dieser Drucküberschuss würde die Scheiben in einem Schwebezustand, idealerweise in der Mesosphäre, halten. Wird die Bariumtitanatschicht elektrisch aufgeladen, würde das natürliche elektrische Feld der Atmosphäre die Scheiben waagerecht halten und ein Kippen verhindern. Nachts würden die Partikel zwar (aufgrund der fehlenden Sonneneinstrahlung) langsam zur Erde sinken, aber tagsüber durch den beschriebenen Effekt wieder steigen.

Keith schlug folgende Zusammensetzung der Nanopartikel vor:

• Oberste Schicht bestehend aus Aluminiumoxid (schützt die mittlere Aluminiumschicht)
• Mittlere Schicht aus Aluminium (reflektiert das Sonnenlicht)
• Untere Schicht aus Bariumtitanat (für elektrische Aufladung und Photophorese)

Diese Methode des SRM würde im Gegensatz zu den Schwefeldioxidmodellen unerwünschte Effekte auf die Ozonschicht minimieren, da die Scheiben oberhalb dieser schweben würden. Um negative gesundheitliche Auswirkungen zu verringern (Aluminium und Bariumtitanat sind gesundheitsschädlich) sollten die Nanopartikel idealerweise so hergestellt werden, dass sie eine begrenzte Lebensdauer haben. Sie könnten beispielsweise so hergestellt werden, dass sie durch UV-Strahlung und Sauerstoffradikale zersetzt werden würden.

Bismutiodid

Es wird zurzeit (2017) überlegt, ob man durch Einbringung von Bismut(III)-iodid in die Atmosphäre die Erderwärmung verlangsamen kann. David Mitchell von der University of Nevada schlägt vor, jährlich 160 t (Kosten: ca. 6 Millionen US-Dollar) hierfür zu verwenden.

Eisen-Salz-Aerosole

Im Jahr 2000 begann die Entwicklung des ISA-Verfahrens (ursprünglich IOA-Verfahren) durch dessen Erfinder Franz Dietrich Oeste (Jahrgang 1945), ab 2002 unter der Mitwirkung von Ernst Ries, welcher das Verfahren in mehreren Ländern zum Patent anmeldete. Es wird beschrieben als naturidentische Methode (siehe Lössstaub in der Eiszeit) zur Klimakühlung über die Einbringung von Schwebstaubpartikeln in die Atmosphäre, welche aus Eisenoxid oder wahlweise Eisenchlorid bestehen. Dadurch sollen in der Lufthülle der Erde der Abbau von Treibhauskomponenten (inkl. Ruß-Reduktion in der Troposphäre) sowie eine Zunahme der Wolkendeckenreflektion bewirkt werden. Für den Transport der Partikel in die Atmosphäre können etablierte Klimagas-Emittenten (primär Flugzeuge, aber auch Kraftwerke und Schiffe) genutzt werden. Dabei werden den Verbrennungsprozessen eisenhaltige Treibstoffadditive mit minimalem Aufwand technisch zugeführt.

Im Januar 2017 wurde das ISA-Verfahren in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift Earth System Dynamics (ESD) veröffentlicht und zur Diskussion gestellt. Deutschlandfunk berichtete am 07. März 2017 über dieses relativ neue Geoengineering-Konzept.

Weltraumbasierte Ansätze

Es gibt verschiedene Vorschläge, Objekte am Lagrange-Punkt L1 zwischen Erde und Sonne zu positionieren, die mit der Erde um die Sonne kreisen, die Sonnenstrahlung vermindern und die Erde so kühlen sollen:

• James T. Early schlug 1989 vor, eine Art dünnen Schutzschild aus vom Mond gewonnenen Material einzurichten,
• Der Pentagon-Physiker Lowell Wood skizzierte den Gedanken, weltraumtaugliche kleine Sonnensegel zu installieren, um die Erde zu beschatten.
• Roger Angel von der University of Arizona brachte die Idee ein, eine Wolke aus ca. 20 Mio. t (entspricht etwa 15 Billionen Stück) kleiner transparenter, je mit einer Kontrolleinheit zur Ausrichtung versehener Scheiben zu positionieren.

Carbon Dioxide Removal

Carbon Dioxide Removal ist das gezielte Entfernen von CO₂ aus der Atmosphäre und seine Einlagerung in andere Kohlenstoffreservoirs. Einen durch CDR bewirkten Fluss atmosphärischen Kohlenstoffs in permanente Kohlenstoffsenken bezeichnet man auch als negative Emissionen, die entsprechenden CDR-Technologien nennt man englisch auch negative emissions technologies (NET). Mittlerweile (2016) sind in den meisten Szenarien zur Einhaltung des Zwei-Grad-Ziels negative Emissionen und damit der großtechnische Einsatz von CDR erforderlich.

Es gibt Vorschläge zu biologischen, chemischen und physikalischen Verfahren, wie das CO₂ aus der Atmosphäre entfernt werden könnte. Die bislang vorgeschlagenen Verfahren sind langsam, sie bedürften eines großtechnischen Einsatzes von wahrscheinlich mehr als einhundert Jahren, um atmosphärische CO₂-Konzentrationen signifikant zu reduzieren.

Je nach CDR-Technologie dienen verschiedene Reservoirs als Speicher des aus der Atmosphäre entfernten Kohlenstoffs. Reservoirs unterscheiden sich in ihrer Speicherkapazität und der Dauer, mit der sie Kohlenstoff speichern. Reservoirs, in denen Kohlenstoff mindestens über zehntausende Jahre eingeschlossen ist, bezeichnet man als permanent. Das Speichern von Kohlenstoff in nicht-permanenten Reservoirs wirkt eher verzögernd als verhindernd auf die Erderwärmung. Geologische Reservoirs könnten den Kohlenstoff permanent speichern, während land- oder ozeanbasierte Reservoirs nicht als permanent gelten. Besonders bei landbasierten Reservoirs (Böden, Biosphäre) besteht zudem das Risiko, dass bei einem weiteren Klimawandel CO₂ wieder schneller freigesetzt wird. Geologische und ozeanische Reservoirs könnten mehrere tausend Gigatonnen (Gt) Kohlenstoff aufnehmen, landbasierte grob 200 Gt. Zum Vergleich: Die energiebedingten CO₂-Emissionen – also ohne Zementproduktion, Landnutzungsänderungen und ohne andere Treibhausgase – betrugen 2017 etwa 32,5 Gt.

Gegenwärtig nehmen die Meere und die Biosphäre etwa die Hälfte der menschlichen CO₂-Emissionen rasch wieder aus der Atmosphäre auf. Dadurch dämpfen sie einerseits den Anstieg der atmosphärischen CO₂-Konzentrationen, andererseits kommt es zur Versauerung der Meere und zu Wirkungen auf das Pflanzenwachstum. Carbon Dioxide Removal wirkt, anders als das Solar Radiation Management, auch diesen beiden Effekten entgegen: Bei einer Abnahme der CO₂-Konzentrationen würden Meere und Biosphäre einen Teil des gespeicherten CO₂ wieder in die Atmosphäre abgeben. Wegen dieses Rebound-Effektes muss mit CDR aber für eine gewünschte CO₂-Reduzierung in der Atmosphäre in etwa das Doppelte an CO₂ entfernt werden.

Die Sequestrierung von Kohlendioxid, bei der das Treibhausgas bereits bei der Verbrennung von fossilen Kraftstoffen abgefangen und anschließend unter der Erdoberfläche versenkt wird, wird nur selten zum Carbon Dioxide Removal gezählt, meist wird sie als mögliche Klimaschutzmaßnahme genannt.

Vermehrte Produktion von Biomasse und Einlagerung an Land

Hierbei handelt es sich um biologische Verfahren, die die Produktion von Biomasse erhöhen sollen und den so gebundenen Kohlenstoff in die Biosphäre oder Böden einlagern. Um den Kohlenstoff für längere Zeit zu binden, muss er, zum Beispiel in Form von Holz, dem Kohlenstoffkreislauf entzogen werden. Es gibt eine Reihe von limitierenden Faktoren für diese Verfahren: begrenzte Agrarflächen, knappe Nährstoffe oder die Verfügbarkeit von Wasser.

Zu den Verfahren zählen eine veränderte Bodenbearbeitung in der Landwirtschaft, die Produktion von Bioenergie verbunden mit CO₂-Abscheidung und -Speicherung (BECCS), Aufforstung oder die Wiedervernässung von Mooren.

Viele Modellrechnungen, die darlegen, wie die Erderwärmung auf unter 2° C begrenzt werden kann, gehen schon von der Verfügbarkeit von BECCS-Technologien in der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts aus.

Vermehrte Produktion von Biomasse und Einlagerung in den Ozeanen

Diese biologischen Verfahren sollen die Biomasseproduktion in den Ozeanen anregen. Das Wachstum von Phytoplankton wird angeregt, ein Teil des so gebundenen Kohlenstoff wird mit dem abgestorbenen Plankton in die Tiefsee transportiert.

Der Geochemiker James Lovelock schlug vor, die oberen Ozeanschichten aufzuwirbeln. Dadurch gelangten Nährstoffe an die Meeresoberfläche und das Algenwachstum werde stimuliert. Die Algen wiederum nähmen Kohlendioxid aus der Atmosphäre auf und würden so den Treibhauseffekt reduzieren. Auch mit Hilfe von Meeresdüngung könnte das Algenwachstum angeregt werden; absterbende Algen sinken zum Meeresboden und entziehen damit das gebundene CO₂ dem Meer und damit indirekt auch der Atmosphäre. Versuche des Alfred-Wegener-Instituts in den Jahren 2000 (Experiment EisenEx) und im Frühjahr 2009 (Experiment LOHAFEX) haben allerdings ergeben, dass der Effekt nur sehr gering ist, da die Algen vor dem Absterben fast vollständig von tierischen Organismen gefressen werden, die das CO₂ dann wieder ausatmen.

Diese Experimente bergen das Risiko unerwünschter Nebeneffekte auf die Meeresfauna. Darüber hinaus könnten sie gegen das auf der 9. Vertragsstaatenkonferenz der Biodiversitätskonvention beschlossene Moratorium zur Ozeandüngung verstoßen. Auf die in dieser Stellungnahme erwähnte Gefahr der Erzeugung großer sauerstoffarmer Meeresregionen wurde jedoch bereits Anfang der 1990er Jahre hingewiesen.

Beschleunigte Verwitterung

Bei der Verwitterung von Silikat- und Karbonat-Gesteinen wird Kohlenstoff gebunden. Diese Prozesse verlaufen extrem langsam. Es gibt Vorschläge, den Verwitterungsprozess an Land zu beschleunigen, indem zum Beispiel künstlich erzeugtes Gesteinsmehl aus Silikatmineralen weiträumig ausgebracht wird.

Von den Ozeanen aufgenommenes CO₂ reagiert – über sehr lange Zeiträume – mit Karbonatsedimenten am Meeresboden. Durch eine künstliche Kalkung der Meere könnte dieser Prozess verstärkt werden.

Sonstige CDR-Methoden

Überlegungen des Direct Air Capture bestehen darin, CO₂ mit chemischen Prozessen direkt der Umgebungsluft zu entnehmen. Dieses CO₂ würde in geologischen oder ozeanischen Reservoirs gelagert werden. Die Entnahme würde über die Absorption mit Feststoffen, mit hochalkalischen Lösungen oder mit alkalischen Lösungen unter Einsatz eines Katalysators erfolgen. Die Leistungsfähigkeit dieser Verfahren ist durch die geringe Konzentration von CO₂ in der Luft begrenzt. Wegen der höheren Konzentration gilt die CO₂-Abscheidung und -Speicherung direkt an der Emissionsquelle als vielversprechender.

Sonstige Vorschläge

Es gibt verschiedene Vorschläge, das Abschmelzen polarer Meergletscher und so den Meeresspiegelanstieg zu verlangsamen:

• Barrieren im Meerwasser vor Gletscherzungen könnten die Tauwirkung durch zirkulierendes Wasser reduzieren.
• Künstliche Inseln am Ende der Gletscherzunge könnten den Abfluss des Eises verlangsamen.
• Pumpstationen auf dem Eis hinter der Aufsetzlinie des Gletschers könnten Wasser, das am Grund des Gletschers den Fluss des Eises beschleunigt, abpumpen oder gefrieren lassen.

Bei diesem Geoengineering-Vorschlag handelt es sich nicht um ein Climate-Engineering, sondern darum, schwerwiegenden Folgen der Erwärmung zu begegnen, um Zeit zu gewinnen.

Gefahren

Der Klimawissenschaftler Alan Robock hat im Jahr 2008 eine aus 20 Punkten bestehende Liste möglicher Gefahren beim Einsatz von Geoengineering zusammengestellt und veröffentlicht. Er stellt abschließend fest, dass mindestens 13 der 20 Punkte Nebenwirkungen und Gefahren für Klimasystem und Umwelt darstellen.

• Regionale Temperaturveränderungen
• Veränderungen der Niederschlagsmuster
• Schädigung der Ozonschicht (bei Aerosol-Geoengineering)
• Keine Reduktion des CO₂-Gehalts der Atmosphäre (bei SRM-Methoden)
• Keine Verhinderung der Versauerung der Meere
• Negative Auswirkungen auf Flora und Fauna
• Verstärkung des sauren Regens (bei Ausbringung von Schwefeldioxid)
• Auswirkungen auf die natürliche (Zirrus-)Bewölkung
• Ausbleichung des Himmels
• Geringere Leistungsausbeute für Solaranlagen
• Starker Temperaturanstieg, wenn Projekt gestoppt werden muss
• Menschliches oder technisches Versagen
• Unbekannte, unvorhersehbare Auswirkungen
• Negative Auswirkung auf die Bereitschaft zur CO₂-Reduktion
• Missbrauch zu militärischen Zwecken
• Gefahr bei kommerzieller Kontrolle der Techniken
• Widerspruch zur ENMOD-Konvention
• Möglicherweise extrem hohe Kosten (Ausnahme: Aerosol-Geoengineering)
• Notwendigkeit einer übernationalen Kontrolle
• Kein Rahmenwerk zur Entscheidungsfindung vorhanden
• Unvereinbare Interessenskonflikte einzelner Staaten (Wer bestimmt die globale Temperatur?)
• Erhebliches Konfliktpotential (politisch, ethisch, moralisch)

Besondere Gefahren entstehen, sollten Geoengineering-Maßnahmen zur Kühlung der Erde abrupt unterbrochen werden. In diesem Fall kann es zu extremen Erhöhung der globalen Durchschnittstemperatur um 2 bis 4 °C pro Dekade kommen, also einer Erwärmung mit einer 20-fachen Rate im Vergleich zur jetzigen.

Geoengineering in der Diskussion

Noch in den 1960er Jahren wurde Geoengineering teilweise euphorisch als Möglichkeit für „segensreiche Veränderungen“ betrachtet. U. a. wurden folgende „großartige Projekte“ vorgeschlagen:

• Schwärzung des arktischen Eises mit Hilfe von Kohlenstoff (der geringere Strahlungsverlust sollte das Ödland des hohen Nordens bewohnbar machen)
• Aufbringung einer dünnen Schicht von 1-Hexadecanol auf den Ozeanen (die geringere Verdunstung sollte tropische Stürme abschwächen, wenn auch um den Preis einer Erwärmung des Meerwassers)
• Zündung von zehn „sauberen“ Wasserstoffbomben von je zehn Megatonnen unter dem Eismeer (der aufsteigende Dampf der Explosionswolke sollte in der oberen Atmosphäre gefrieren und so die Wärmeabstrahlung reduzieren; erhoffter Effekt: „Dadurch könnte die allgemeine Luftzirkulation auf der Erde verändert und das Klima in weiten Bereichen der Erde vielleicht verbessert werden“)
• Bau eines Deiches in der Beringstraße sowie von Kernkraftwerken, um kaltes Wasser in den Pazifik zu pumpen (erhoffter Effekt: „Warmes Wasser aus dem Atlantik würde dem kalten Wasser nachströmen und so das Wetter in der Arktis verbessern“)

Heute stößt Geoengineering in der Öffentlichkeit, vor allem in Europa, auf große Skepsis. Eine weitverbreitete Ansicht ist, dass Geoengineering Anstrengungen untergraben würde, sich auf die Ursache des Problems der Treibhausgasemissionen zu konzentrieren. Die meisten Wissenschaftler glauben zudem, dass unbekannte Risiken eine Gefahr darstellen. Zudem gibt es ethische Vorbehalte.

Laut der Royal Society ist Geoengineering keine Alternative zu Emissionsreduktionen, die die höchste Priorität einnehmen sollten. Da diese Reduktionen sich jedoch als schwierig herausstellen, könnten einige Ansätze des Geoengineering helfen. Aufgrund noch großer Unsicherheiten bezüglich der Effektivität, Kosten sowie sozialer und umweltbezogener Auswirkungen sei deutlich mehr Forschung notwendig. Zudem müsse die Öffentlichkeit in die Diskussion einbezogen und ein Regulierungssystem geschaffen werden. Zum Zweck dieser internationalen Zusammenarbeit und zur Schaffung eines internationalen Regelwerks, das transparente und verantwortliche GE-Forschung sicherstellen soll, wurde im März 2010 von der Royal Society, der Academy of Sciences for the Developing World (TWAS) und dem Environmental Defense Fund (EDF) die Plattform „Solar Radiation Management Research Governance Initiative“ (SRMGI) gegründet.

Unter dem Motto „The global governance of climate engineering“ wurde im August 2009 in Heidelberg eine fächerübergreifende Untersuchung gestartet. Der Copenhagen Consensus empfahl 2009 Geoengineering als effizientere Alternative zu Emissionsreduktionen.

Umweltorganisationen drängten im Rahmen der 10. Vertragsstaatenkonferenz der Biodiversitätskonvention auf ein Moratorium für ein Verbot von Geoengineeringprojekten. In Übereinstimmung mit der Entscheidung eines Verbotes von Meeresdüngung (COP 9, IX/16 C) wurde die Entscheidung getroffen, Geoengineeringaktivitäten solange zu unterlassen, bis eine umfassende wissenschaftliche Basis vorliegt, die sicherstellt, dass derartige Aktivitäten keinen schädigenden Einfluss auf Umwelt und Biodiversität haben können. In kleinem Maßstab angelegte Forschungsstudien wurden jedoch explizit ausgenommen, sofern diese durch die Notwendigkeit der Beschaffung weiterer Forschungserkenntnisse gerechtfertigt werden können, in Übereinstimmung mit Artikel 3 der Konvention stehen und darüber hinaus eine gründliche, vorherige Begutachtung in Bezug auf mögliche Einflüsse auf die Umwelt durchgeführt wurde.

Auch eine von der deutschen Bundesregierung in Auftrag gegebene Studie des Kiel Earth Institute kommt zu dem Schluss, dass der Einsatz von Geoengineering „mit beträchtlichen Nebenwirkungen, deren Ausmaß aber noch weitgehend unbekannt ist“ einhergehen könne. So fände die Erforschung der Nebeneffekte von Geoengineering bisher nur wenig Aufmerksamkeit. Auch habe sich „die sozialwissenschaftliche Forschung […] kaum mit den gesellschaftlichen Aspekten des Einsatzes von Climate Engineering befasst.“ Zudem befände sich die Forschung zu politischen, rechtlichen und ökonomischen Aspekten, die mit Geoengineering einhergehen, noch im Anfangsstadium.

Der deutsche Politikwissenschaftler Elmar Altvater weist darauf hin, dass sich eine solche komplexe Herausforderung nicht mit einer eindimensionalen Herangehensweise lösen lässt, sondern nur holistisch: „…weil Geoengineering genau das bedeutet, was der Name sagt: eine ingenieurmäßige und keine ganzheitliche Herangehensweise.“

Gleichzeitig ist davon auszugehen, dass auch bei einer schnellstmöglichen Umsetzung einer globalen Dekarbonisierung die Stabilisierung der Erwärmung nur durch die Reduzierung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre zu erreichen ist.

Der Wissenschaftliche Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen (WBGU) empfiehlt in seinem Sondergutachten Entwicklung und Gerechtigkeit durch Transformation, keine Maßnahmen zu ergreifen, die auf die Manipulation des globalen Strahlungshaushalts abzielen, und empfiehlt der G20, sich kritisch zu Geoengineering zu positionieren.

Siehe auch

• Klimawandel
• Wetterbeeinflussung
• Terraforming
• Chemtrail

Literatur

• Werner Arber: Predictability in science. Accuracy and limitations. The Proceedings of the plenary session, 3–6 November 2006. Pontifical Academy of Sciences, Vatican City 2008, ISBN 978-88-7761-094-2, (Pontificiae Academiae Scientiarum acta 19), S. 83–97.
• Paul J. Crutzen: An Example of Geo-Engineering. Cooling Down Earth’s Climate by Sulfur Emissions in the Stratosphere. In:
• Jeff Goodell: How to Cool the Planet. Geoengineering and the Audacious Quest to Fix Earth’s Climate. Houghton Mifflin Harcourt, Boston MA 2010, ISBN 978-0-618-99061-0.
• Eli Kintisch: Hack the Planet: Science’s Best Hope – or Worst Nightmare – for Averting Climate Catastrophe. Wiley, 2010. ISBN 0-470-52426-X.
• Brian Launder und J. Michael T. Thompson (Hrsg.): Geo-engineering climate change. Environmental necessity or Pandora’s box?. Cambridge University Press. Cambridge 2010. ISBN 978-0-521-19803-5.
• politische ökologie: Geo-Engineering. Notwendiger Plan B gegen den Klimawandel? Mit Beiträgen von O. Renn, K. Ott, P. Mooney, A. Grundwald, A. Oschlies, U. Potzel, u.v.m., Heft 120, oekom verlag München 2010, ISBN 978-3-86581-226-1.
• Gernot Wagner und Martin L. Weitzman: Klimaschock, Wien, Ueberreuter Sachbuch 2016, ISBN 978-3-8000-7649-9.

Weblinks

• 

  Commons: Climate engineering – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
• www.spp-climate-engineering.de Schwerpunktprogramm der Deutschen Forschungsgemeinschaft zu Climate Engineering, seit Mai 2013
• www.climate-engineering.eu Aktuelle Informationen, bereitgestellt durch Kiel Earth Institute und das Marsilius Kolleg der Universität Heidelberg, seit Sept 2011
• The Global Governance of Climate Engineering. Interdisziplinäres Forschungsprojekt zur Technik von GE, den verbundenen Gefahren, Möglichkeiten und Kosten. Marsilius Kolleg, Universität Heidelberg
• Youtube-channel CLIMATE ENGINEERING – Views Onto A Man-Made Climate Interviews mit Wissenschaftlern über Climate Engineering, ab März 2016
• Geoengineering: Global Salvation or Ruin? Podiumsdiskussion – Commonwealth Club of California, San Francisco vom 23. Februar 2010 (Teilnehmer: Ken Caldeira, Greg Dalton, Albert Lin, David Whelan (Boeing))
• Offizielle Begriffsklärung: Geo-Engineering / Climate Engineering (PDF; 67 kB), Deutscher Bundestag, 12. September 2010.
• Climate-Engineering focus.de, abgerufen am 16. Oktober 2011
• Planungsamt der Bundeswehr über Geo-Engineering, 2013