Sunblocker für die Erde: Harvard-Forscher wollen Partikel in die Stratosphäre sprühen, um so mehr Sonnenstrahlen ins All zurückzureflektieren.
Foto: Getty Images/iStockphoto/AleksandarGeorgiev

"Vollkommen verrückt!" Das hört David Keith nicht selten, wenn er über sein Projekt spricht. Es geht dabei um nicht weniger, als das Sonnenlicht künstlich zu dimmen, um der fortschreitenden Erderwärmung durch den Treibhauseffekt Einhalt zu gebieten, oder anders gesagt: die Erde abzukühlen. Keith ist experimenteller Physiker und leitet eine Forschungsgruppe an der Harvard University in Cambridge, Massachusetts. Seit 25 Jahren beschäftigt er sich mit Klimaforschung, Energietechnologien – und Methoden, das Klima der Erde technisch zu beeinflussen. Methoden, die unter dem Begriff Geo-Engineering oder Climate-Engineering zusammengefasst werden.

Gemeinsam mit Forschern rund um den Atmosphärenchemiker Frank Keutsch, ebenfalls in Harvard angesiedelt, ist er drauf und dran, die schon seit mehr als einem Jahrzehnt höchst kontroversiell diskutierte Vision eines Sunblockers für die Erde einem ersten Reality-Check zu unterziehen. Schon bald könnte das erste Experiment starten, das solares Geo-Engineering – so der Fachausdruck – von den Computermodellen und Laboren in luftige Höhen bringt. Das Stratospheric Controlled Perturbation Experiment, kurz Scopex, besteht darin, einen propellerbetriebenen Ballon in die Stratosphäre etwa 20 Kilometer über den südwestlichen USA zu schicken, wo eine kleine Menge an Partikeln versprüht wird. Dann sollen im Ballon integrierte Sensoren und Messgeräte Daten darüber sammeln, wie sich diese Aerosole verhalten und welchen Einfluss sie auf die Atmosphäre haben.

Partikel in der oberen Atmosphäre

Um Bedenken von Wissenschaftern und Umweltschützern entgegenzukommen, hat die Harvard University Ende Juli ein externes Beratungsgremium eingerichtet: Sämtliche potenziellen ethischen, ökologischen und geopolitischen Auswirkungen eines derartigen Manövers sollen überprüft und überwacht werden. Damit nehmen die 2014 erstmals vorgeschlagenen Versuche nun immer mehr Gestalt an.

Das Prinzip des solaren Geo-Engineering ist simpel: Partikel in der oberen Atmosphäre sorgen dafür, dass mehr Sonnenstrahlen zurück ins All reflektiert werden, die Erdoberfläche kühlt sich dadurch ab. Da aus einer derartigen Höhe kein Niederschlag fällt, haben Aerosole eine relativ lange Verweildauer von ein bis zwei Jahren.

Wissenschafter konnten das Phänomen bereits in Aktion beobachten, als 1991 der Vulkan Pinatubo auf den Philippinen ausbrach und geschätzte 20 Millionen Tonnen Schwefeldioxid in die Stratosphäre entlud. Der Aerosolschleier bewirkte, dass sich die Erde für etwa 18 Monate um rund 0,5 Grad abkühlte – auf eine Temperatur wie vor Beginn des Industriezeitalters. Ähnliches geschah 1982 beim Ausbruch des El Chichón in Mexiko. Seither beschäftigt die Idee, eine künstliche Sulfatschicht um die Erde zu bilden, die Fachwelt. Halbwegs ernst genommen wurde sie jedoch erst, als sich der Nobelpreisträger Paul Crutzen, selbst Atmosphärenchemiker, 2006 dafür einsetzte – als möglicherweise notwendigen Weg, um die globale Erwärmung einzudämmen.

Kaum absehbare Risiken

Inzwischen haben zahlreiche Studien die Auswirkungen dieser Geo-Engineering-Technologie untersucht – mit ambivalenten Ergebnissen (siehe Faktencheck auf klimafakten.de). Ein derartiger Eingriff ins Klimasystem wie mit dem sogenannten Strahlenmanagement (Solar Radiadion Management, kurz SRM) hätte kaum absehbare Risiken, warnen Wissenschafter. Die Atmosphärenmanipulation könnte den Wasserkreislauf beeinflussen und Niederschlagsmuster verändern. Schwefeldioxid verlangsamt außerdem die Neubildung der heiklen Ozonschicht.

Konzept des Testballons der Harvard University, der in der oberen Stratosphäre Partikel versprühen soll.
Illustration: Scopex Project

Daher konzentrieren sich die Harvard-Forscher mit ihrem ersten Drei-Millionen-Dollar-Testballon auf ein anderes Material: gewöhnliches Kalziumkarbonatpulver, wie es in Papier und Zahnpaste verwendet wird. Maximal zwei Kilo sollen versprüht werden, in einem ersten Funktionstest könnte überhaupt nur Wasserdampf, der zu Eispartikeln gefriert, zum Einsatz kommen.

Keith und seine Mitstreiter werden nicht müde zu betonen: Es handle sich um ein rein wissenschaftliches Experiment, um Daten zu gewinnen, mit denen wiederum Modelle in größeren Maßstäben gefüttert werden können – mit dem einzigen Ziel, mehr über die Methode, ihre Potenziale und Risiken zu erfahren. In einer Studie, die 2019 im Fachmagazin "Nature Climate Change" veröffentlicht wurde, simulierten Forscher rund um Keith, welchen Effekt es hätte, wenn gerade so viele Teilchen ausgebracht würden, dass etwa die Hälfte der künftigen Erderwärmung ausbliebe.

Demzufolge hätte das in den größten Teilen der Welt kaum negative Auswirkungen, lediglich bei 0,4 Prozent der Landfläche könnte es zu Dürren und extremen Regenfällen kommen. "Wenn solares Geo-Engineering so gut ist, wie wir in diesen Modellen zeigen konnten, wäre es verrückt, wenn wir es nicht ernst nehmen würden", sagte Keith dem "Nature"-Magazin.

Negative Emissionen

Neben der Beeinflussung der Sonneneinstrahlung gibt es noch eine zweite Kategorie an Geo-Engineering-Methoden: Dabei wird versucht, Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu entziehen. Der Fachbegriff dafür heißt Carbon Dioxide Removal (CDR). Das Einfangen und Einlagern von CO2 soll durch biologische Methoden wie das Aufforsten von Wäldern oder durch Anlagen zur chemischen Absonderung von CO2 möglich werden.

Dass solche Lösungsvorschläge nun verstärkt diskutiert werden, hat einen Hintergrund: Im Pariser Klimaabkommen 2015 hat man sich darauf geeinigt, die Erwärmung auf maximal zwei Grad gegenüber vorindustriellen Temperaturen zu begrenzen. Es wird allerdings immer deutlicher, wie schwierig das Ziel ohne radikale Einschnitte zu erreichen ist. Im 2018 erschienenen Sonderbericht des Weltklimarats IPCC zum angestrebten 1,5-Grad-Ziel wird der Begriff Geo-Engineering zwar verworfen. Unter dem Stichwort "negative Emissionen" gehen die Autoren aber darauf ein, dass ein derart ambitioniertes Ziel kaum erreicht werden könne, ohne CO2 aus der Atmosphäre zu ziehen – die Rede ist von 100 bis 1000 Gigatonnen CO2 im Lauf des 21. Jahrhunderts.

Ein Trickfilm über die Klimaziele des Pariser Klimaabkommens 2015 und die Rolle negativer Emissionen, entstanden im Schwerpunktprogramm "Climate Engineering" der Deutschen Forschungsgemeinschaft.
SPP 1689 Climate Engineering

"Geo-Engineering war lange vom klimawissenschaftlichen und -politischen Mainstream ausgeschlossen. Infolge der ambitionierten Zielsetzung des Klimaabkommens von 2015 wurde das Thema aber enttabuisiert", sagt Daniel Barben vom Institut für Technik- und Wissenschaftsforschung der Universität Klagenfurt. Barben ist am Schwerpunktprogramm "Climate Engineering: Risks, Challenges, Opportunities?" der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG beteiligt. In diesem Programm wurde seit 2013 eine Reihe von Studien durchgeführt, die die Möglichkeiten, Risiken und Nebenwirkungen von Klimamanipulationsmaßnahmen erforschten und bewerteten (siehe eine Auswahl an Klimawerkzeugen in der Galerie unten).

"Bisher sind viele der Technologien spekulativ und bergen viele Unsicherheiten", sagt Barben. "Nur wenige gehen über theoretische Modelle hinaus und wurden bereits im Labor oder in klein-, geschweige denn in großskaligen Experimenten getestet." Derzeit ist ein Wildwuchs an Projekten zu beobachten: Manche sind an Unis angesiedelt, andere werden von kleinen Start-ups vorangetrieben ebenso wie von großen Energiekonzernen. "Gerade in den USA investieren große Stiftungen wie etwa die von Microsoft-Gründer Bill Gates in Geo-Engineering-Technologien", sagt Barben. "Das alles passiert weitgehend unreguliert."

Spiegelarmada im Weltall

Konzept eines Sonnenschirms aus Siliziumscheiben im All zur Abkühlung des Planeten.
Foto: University of Arizona/Steward Observatory

Die Gedankenexperimente und Modelle muten teilweise wie Science-Fiction an: etwa einen gigantischen Spiegel in der Größe Manhattans im Weltall zwischen Sonne und Erde zu platzieren, der wie ein Sonnenschirm wirkt – eine Idee, die schon seit Jahrzehnten kursiert. Der Astronom Roger Angel von der University of Arizona hat sie weitergesponnen und 2006 im Fachmagazin "PNAS" skizziert, wie man am Lagrange-Punkt, wo sich die Anziehungskräfte von Sonne und Erde aufheben, einen 100.000 Kilometer langen Schweif aus 16 Billionen Siliziumscheiben mit je 60 Zentimeter Durchmesser errichten könnte. Die Spiegelarmada könnte einen Bruchteil der Sonnenstrahlung zurückreflektieren und damit der Erde zu einer Abkühlung verhelfen, die die bisherige Klimaerwärmung ausgleichen würde.

Andere Methoden zur Beeinflussung der Sonneneinstrahlung sind nicht ganz so aufwendig und zielen eher darauf ab, natürlichen Abkühlungseffekten nachzuhelfen: etwa das künstliche Aufhellen von tiefliegenden dicken Wolken durch das Ausbringen von Kondensationskeimen, zum Beispiel zerstäubtem Salzwasser über Ozeanen. Das würde zu mehr, aber kleineren Wassertröpfchen und dadurch zu einer stärkeren Reflexion der Sonnenstrahlung führen. Ähnliche Effekte verursachen auch die Emissionen von Schiffen.

Umgebaute Schneekanonen

Schleier über dem Ozean: Eine Flotte unbemannter Schiffe soll tiefliegende Wolken künstlich aufhellen und so das Klima abkühlen – so planen es zumindest Forscher rund um Stephen Salter.
Foto: James MacNeill

Das Marine Cloud Brightening Project plant unter der Leitung der University of Washington – mit Startkapital von Bill Gates und Silicon-Valley-Tech-Firmen – schon länger Experimente an der kalifornischen Küste bei Monterey. Bisher ist es aber noch bei dem Konzept geblieben, mit umgebauten Schneekanonen Partikel in die Luft zu blasen, um Stratocumulus-Wolken zu bilden. Forscher rund um Stephen Salter, Emeritus der Universität Edinburgh, setzen auf eine Flotte autonomer, mit Windenergie betriebener Schiffe, die, einen ultrafeinen Salzwasserdunst verströmend, über die Meere schippern und zu einer weiträumigen Klimaabkühlung beitragen.

Andere Wissenschafter haben sich das (immer rapider schmelzende) Polar- und Gletschereis vorgenommen, das schließlich mit seinen gleißenden Oberflächen für den größten Teil der Sonnenabstrahlung verantwortlich ist: So wurde vorgeschlagen, reflektierenden Sand über der Arktis zu verteilen oder Gletscher weiß anzustreichen bzw. mit weißer Plastikfolie zu bedecken (was 2011 auf der Zugspitze versuchsweise durchgeführt wurde). Zuletzt berechneten Forscher, dass die Antarktis mit 7,4 Billionen Tonnen Kunstschnee gerettet werden könnte.

Unabsehbare Folgen

All diesen Ansätzen ist gemein, dass ihre Nebenwirkungen auf Wettersysteme, Ökologie und Biodiversität unabsehbar sind und überwiegend als zu riskant eingeschätzt werden – ganz abgesehen von horrenden Kosten und einem Energie- und Ressourcenverbrauch, der erst recht wieder die Emissionsbilanz in die Höhe treiben würde.

Die Befürworter von Solar-Geo-Engineering-Technologien räumen einhellig ein, dass kein Weg daran vorbeiführe, das Klimaproblem an den Wurzeln zu packen und somit die Emissionen radikal zu reduzieren. Dennoch: Technische Manipulationen des Klimas könnten dazu dienen, Zeit zu gewinnen und als letzte Notfallmaßnahme bei fortschreitender Erderwärmung und zunehmend katastrophalen Folgen relativ rasch für Linderung zu sorgen.

Weniger rasch wirksam, dafür etwas näher am Problem sind Maßnahmen, die CO2 aus der Atmosphäre abziehen sollen – sie basieren auf einem Konzept, das in den 1990ern von der Europäischen Weltraumagentur Esa entwickelt wurde, um die Luft in Spaceshuttles und Raumstationen zu reinigen. Ein Treiber der Direct-Air-Capture-Technologie ist die Schweizer Firma Climeworks, ein Spin-off der ETH Zürich, die mit chemisch angereicherten Filtern CO2 direkt aus der Luft einfängt und mit Hitze abscheidet.

Climeworks betreibt unter anderem eine Pilotanlage auf Island, in Kooperation mit dem Kraftwerk Hellisheiði, der größten Geothermieanlage der Welt. Mit Forschungsgeldern aus dem Horizon-Programm der EU wurde ein CO2-Fänger errichtet, der die Abwärme des Kraftwerks nutzt, um Kohlendioxid abzuscheiden und in unterirdischen Basaltschichten einzulagern, wo es in wenigen Jahren zu Stein wird. Mit "Verwandle deine Reiseemissionen in Stein" wirbt die Firma, die bisher rund 50 Tonnen CO2 fixiert hat, auf ihrer Webseite um Unterstützer.

Rendering des CO2-Fängers von Carbon Engineering. Eine ähnliche Anlage ist in Island bereits in Betrieb.
Foto: Carbon Engineering via AP

Fang das CO2, halt es fest

Das kanadische Start-up Carbon Engineering arbeitet mit einer ähnlichen Methode. Gründer ist ebenjener David Keith von der Harvard University, der auch das Scopex-Projekt leitet – und er kann auch hier auf Finanzhilfe von Bill Gates bauen. Derzeit scheitert eine Anwendung der CO2-Abscheidung in großem Stil noch an der Wirtschaftlichkeit – schließlich verschlingt sie eine Menge Energie.

Das soll sich ändern: 2018 errechneten Forscher um Keith, dass die Kosten von derzeit etwa 600 US-Dollar pro Tonne abgesaugtem CO2 auf 100 US-Dollar pro Tonne gesenkt werden könnten, etwa durch Solar- und Windanlagen zur günstigen Energiegewinnung. Weltweit entstehen derartige (Test-)Anlagen zur Filterung und Speicherung von CO2 – man erhofft sich dadurch auch, neue Märkte für das fixierte Kohlendioxid zu erschließen, etwa um synthetische Kraftstoffe oder andere Industrieprodukte herzustellen.

Große Chancen werden insbesondere der CO2-Abscheidung und -Speicherung (CCS) in Verbindung mit Bioenergie eingeräumt. Der britische Energiekonzern Drax hat im Februar dieses Jahres begonnen, in seinem größten Kraftwerk Holzpellets statt Kohle zu verbrennen. Dabei soll täglich eine Tonne CO2 gebunkert werden. Aber auch hier gibt es Zweifel an der Sinnhaftigkeit, da für den Anbau der Biomasse große Mengen an Wasser und Flächen benötigt werden, die der Nahrungsmittelproduktion fehlen könnten. Zudem sind auch geeignete (und sichere) Deponien unter der Erde begrenzt.

Der Wald als Klimaretter?

Demgegenüber erscheint die Methode der (Wieder-)Aufforstung von Wäldern zur CO2-Speicherung geradezu konventionell. Im Sommer machte eine neue "Science"-Studie Schlagzeilen, die zeigte, dass Wälder die beste Maßnahme gegen den Klimawandel wären. Ein Team um Tom Crowther von der ETH Zürich errechnete, dass weltweit 0,9 Milliarden Hektar, eine Fläche größer als Brasilien, aufgeforstet werden könnten – Flächen für Städte und Agrarflächen wurden herausgerechnet. Dadurch könnten theoretisch mehr als 200 Gigatonnen Kohlenstoff gebunden werden, mehr als durch jede andere Maßnahme – allerdings würde es Jahrzehnte dauern, bis das Potenzial der grünen CO2-Fänger voll zum Tragen käme.

Die (Wieder-)Aufforstung von Wäldern ist eine vergleichsweise konventionelle Maßnahme zur Manipulation des Klimas.
Foto: Getty Images/iStockphoto

"Auf der Nordhalbkugel können mehr Wälder dazu führen, dass im Winter weniger Flächen schneebedeckt sind und sich dadurch die Sonnenabstrahlung verringert", gibt Daniel Barben einen Kritikpunkt zu bedenken. Wie einfach jedoch verdorrte Landschaften in der Sahara wieder zum Blühen gebracht werden können, zeigte der australische Agrarökonom Tony Rinaudo, der 2018 für seine Arbeit den Alternativen Nobelpreis erhielt. Er nutzte unter der Erde verborgene Wurzeln ehemals gerodeter Bäume, um neuen Bewuchs zu fördern. Auch ein Ausbau von Wind- und Fotovoltaikanlagen würde zu mehr Regen und damit neuer Vegetation in der Sahara und der Sahelzone führen, wie ein Forscherteam 2018 im Fachjournal "Science" berechnete.

Doch egal, welche Technik zur Manipulation des Weltklimas und des CO2-Gehalts in der Atmosphäre man betrachtet: Nichts ist wasserdicht, überall muss mit mehr oder weniger beträchtlichen Nebenwirkungen in ökologischer, ökonomischer oder ethischer Hinsicht gerechnet werden. Zudem besteht die Sorge, dass die Verfügbarkeit von Klimahacking dazu führt, dass die Vermeidung von CO2-Emissionen weniger ernst genommen wird. "Ich halte es für illusorisch, dass wir mit Climate-Engineering die Erderwärmung bewältigen können", sagt Barben. "Die CO2-Speicherung etwa kann nur eine Brückentechnologie sein, während zugleich in allen anderen Bereichen Emissionen abgebaut werden."

Widerstand von Umweltaktivisten

Während sich von Umweltaktivisten wie Ex-US-Vizepräsident Al Gore immer mehr Widerstand gegen Klimaexperimente formiert, fordern Wissenschafter einen globalen Rechtsrahmen und politische Strategien, um festzulegen, welche Art der Forschung unter welchen Bedingungen weiterverfolgt werden soll. Der ehemalige Uno-Generalsekretär Ban Ki-moon formulierte es im heurigen Frühjahr so: "Der Geist des Geo-Engineerings ist bereits aus der Flasche. Die internationale Gemeinschaft muss entscheiden, ob sie sich jetzt durch die Etablierung klarer Governance-Regeln und Richtlinien engagiert oder ob sie es Einzelakteuren gestattet, die Führung zu übernehmen."

Bisher scheiterten derartige Vorhaben: So konnten sich die Teilnehmer der UN-Umweltversammlung in Nairobi im März 2019 nicht dazu durchringen, einem Antrag der Schweizer Regierung zur gemeinsamen Bewertung von Geo-Engineering-Technologien zuzustimmen. Bis sich das ändert, gilt es, auf dem Boden der Tatsachen zu bleiben und Plan A weiterzuverfolgen: den Klimawandel an der eigentlichen Wurzel, den Emissionen, zu packen. (Karin Krichmayr, 22.12.2019)

Grafik: Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren e.V./Franziska Roeder, Flaticon
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