Vil forvandle drivhusgass til stein

I kampen mot global oppvarming er geologer og fysikere ved Universitetet i Oslo i gang med å undersøke en helt ny metode som gjør det mulig å kvitte seg med drivhusgassen karbondioksid (CO2).

I dag er det mulig å lagre CO₂ som gass eller væske i berggrunnen. Da er faren til stede for at CO₂ siver opp igjen.

Nå undersøker forskerne hvordan det er mulig å omdanne CO₂ til stein. Det kan bli tidenes sikreste CO₂-lagring. Ideen er hentet fra naturens egen metode. Trikset er å sende gassen rett inn i en type stein som kalles olivin.

Mesteparten av olivinsteinen på jorda er noen hundre millioner år gammel. De største forekomstene av olivin finnes midtveis i Atlanteren, flere tusen meter under havet, men det er  også mye olivinstein på land. Verdens største olivinfelt er i Oman på Den arabiske halvøya.

De største olivinfeltene i Norge er ved Feragen øst for Røros og på øya Leka i Nord-Trøndelag.

Olivin er en magnesiumrik bergart fra jordas indre som i sin tid ble fraktet opp til jordas overflate. På veien opp var steinen så varm at alle gassene ble kokt vekk.

– Vel oppe har olivinsteinen reagert med CO₂ og vann og dannet nye mineraler. Selv om denne geologiske prosessen har vart siden den gang, er bare en brøkdel av all olivinsteinen i verden fylt av CO₂. Det er fortsatt masse plass igjen, forteller Ole Ivar Ulven, som rett før jul tok doktorgraden om CO₂-lagring på forskningssenteret Geologiske prosessers fysikk (PGP) ved Universitetet i Oslo.

I dag tester industrien om det er mulig å blande inn CO₂ i oppkværnet olivin. Denne metoden er både kostbar og energikrevende. De norske forskerne vil bruke olivinsteinen som den er.

Pottetett med nanoporer

Selv om olivinsteinen er pottetett, har den, akkurat som granitt og betong, en mengde porer og sprekker. Noen porer er ikke bredere enn en nanometer, en milliontedels millimeter.

I naturen siver CO₂ sakte innover i porene. Når drivhusgassen reagerer med mineralene i steinen, varmes steinen opp og gassen omdannes til fast stoff. Ettersom det nye stoffet krever mer plass, oppstår det spenninger i steinen. Da kan det dannes nye sprekker, slik at CO₂ kan reagere med mineraler enda lenger inne i steinen.

– Sprekkeprinsippet er det samme som når du suger drops. Dropsen varer lenger når den holdes hel. Knuses den, fortæres den mye fortere. I naturlig omgivelser siver CO₂ bare meget sakte inn i steinen. Forskerne ønsker å speede opp dette tempoet.

Varmer opp steinen

Kjemiske reaksjoner går betydelig raskere når ting varmes opp. Forskerne ser for seg å varme opp en del av olivinsteinen til 180 grader og pumpe inn CO2, enten som ren gass eller blandet med vann.

– Vi akselererer tempoet ved å lage nye overflater inne i steinen. Hvis de nye mineralene som dannes får steinen til å sprekke i stor nok grad, kan det stadig dannes nye overflater. Da kan  hele prosessen bli selvforsterkende.

Svært få forskere har undersøkt disse mekanismene.

Ulven har brukt simuleringsmodeller på datamaskinen for å beregne hvordan sprekkene vokser i de tidligste sprekkefasene.

Han har simulert både hvordan sprekkmønsteret dannes, hvordan prosessen akselererer seg selv og i hvilke situasjoner sprekkene oppstår.

Sprekker kan brekke av overflaten av steinen som tynne flak eller gå inn i steinen som en kile.

– Den mest effektive måten å lagre CO₂ på, er nettopp å danne kiler. Kilene driver sprekkene videre innover i steinen. Da kan CO₂ penetreres ganske langt inn.

Atomære sprekker

Professor Anders Malthe-Sørenssen på Fysisk institutt ved UiO sammenligner sprekkdannelsen i olivin med sprekkdannelsen i et bilvindu.

– Det som styrer tempoet på sprekken, er det som skjer på tuppen av sprekken, akkurat som når bilvinduer sprekker. Det kan være atomære skader på tuppen som bestemmer hvor fort ruten sprekker. Vi må derfor forstå både hva som skjer atomært på tuppen og hva som foregår mekanisk langs hele sprekken, poengterer Anders Malthe-Sørenssen.

Enorme beregninger

For å kunne si noe om sprekkemønsteret, har Ulven tydd til enorme beregninger som har tatt opptil to måneder på datamaskinen.

Forklaringen er enkel: Sprekker vokser med lydens hastighet, men det tar en viss tid mellom hver gang en sprekk oppstår. For å få et detaljert bilde av hvordan sprekkene utvider seg, må programmet simulere tilstanden med svært små tidsintervaller.

– Det betyr at store deler av kjøringen går med til å simulere «ingenting».

Ulven har derfor brukt store regneressurser på å simulere tilstander der det ikke skjer noe som helst, for å kunne fange opp og få et detaljert bilde av hva som skjer når sprekkene omsider oppstår.

Hever jordoverflaten

Det trengs mye stein for å få plass til all den menneskeskapte CO₂-gassen. Hvis olivinsteinen utnyttes 100 prosent, er det mulig å fylle den med 63 prosent av dens egen vekt.

En bil slipper ut en kilo CO2 per mil. Det trengs derfor 1,6 kilo olivin for å fjerne denne gassen.

– Likevel er det nok olivinstein i verden til å ta imot alle CO₂-utslipp, tilsvarende dagens nivå, de neste 3000 årene. Men da må vi fylle all olivinstein fem kilometer ned i bakken, poengterer Ole Ivar Ulven.

Full utnyttelse av olivinsteinen øker volumet på steinen med 80 prosent. Steinen kan enten vokse i høyden eller bredden. Det er ikke snakk om småtterier. Bakkehøyden kan i verste fall øke med flere hundre meter.

– Olivin kan være en attraktiv løsning for å fjerne CO₂, såfremt samfunnet aksepterer store hevinger av jordoverflaten, forteller Ulven.

Det er ikke sikkert at olivin blir den mest interessante steinen for lagring av drivhusgassen.

– Det kan også tenkes at en gruppe mineraler kalt serpentiner, kan bli brukt for å lagre CO₂ permanent. Her er det et minus. Serpentin reagerer saktere med CO₂ enn olivin. Fordelen er derimot at serpentin eser mindre ut.

– Da blir overflatedeformasjonene mindre, poengterer Ulven som i tillegg til Anders Malthe-Sørensen,  har hatt professor Bjørn Jamtveit på forskningssenteret PGP og professor Håkon Olav Austrheim  ved Institutt for Geofag som medveiledere,

PGP lurer også på om det er mulig å lagre CO₂ i skifer. De har nettopp fått støtte til å undersøke dette.