Wie die Heidelberger Umweltphysik die Quellen des CO₂ findet, das wir täglich atmen
Ohrenbetäubendes Dröhnen erfüllt das Labor. Hunderte Kabel, Edelstahlleitungen, Turbopumpen, zehntausend Volt Hochspannung, ein Vakuum zehn Billionen Mal kleiner als normaler Luftdruck und mehrere Behälter gefüllt mit einer fast -200 Grad Celsius kalten Flüssigkeit. So sah das letzte Jahr für mich aus. Ich habe meine Masterarbeit in der Umweltphysik in Heidelberg am weltweit einzigen Versuchsaufbau dieser Art verbracht, auf der Suche nach dem Ursprung des für den menschengemachten Klimawandel wichtigsten Treibhausgases: Kohlenstoffdioxid.
„Clumped Isotopes“ lauten die Zauberwörter. Gemeint sind Moleküle, die mehrere seltene Isotope gleichzeitig enthalten. Seltene Isotope sind Atome, die (in der Regel) schwerer sind als die meisten ihres Elements. 13C besitzt beispielsweise ein Neutron mehr als fast 99 Prozent aller Kohlenstoffatome. 18O hat sogar zwei mehr. Die Wahrscheinlichkeit, zwei dieser seltenen Atome im selben CO₂ Molekül zu finden, ist deswegen beinahe null. Aber nur beinahe. Hin und wieder kommt es doch vor. Spannend ist: Je kälter es ist, desto mehr kuscheln sich diese seltenen, schwereren Atome zusammen; es gibt dann also mehr dieser verklumpten Moleküle. So bekommt jede Probe ihren individuellen Temperaturfingerabdruck.
10.000 Volt Hochspannung und eine fast -200 Grad Celsius kalte Flüssigkeit
Und immer, wenn etwas Makroskopisches, das wir alle sehen und erleben können, wie die Temperatur, Auswirkungen auf der mikroskopischen Ebene von Atomen und Molekülen hat, werden Umweltphysiker:innen aufmerksam: In der Geochemie nennt man diese messbaren Spuren – in unserem Fall ist das der Grad der Verklumpung – Tracer. Sie prägen einem Stoff Informationen über seine Vergangenheit auf, wie ein Stempel auf Papier. Im Gegensatz zum Stempel sind die Informationen hier aber nicht so offensichtlich. Um sie zu finden, brauche ich das reine CO₂, das in der Luft nur mit etwa 0,04 Prozent vorkommt.
Die Luftfeuchtigkeit friere ich dazu mit Trockeneis bei knapp -80 Grad Celsius ein. Wenn die übrige Luft jetzt in flüssigem Stickstoff auf -196 Grad Celsius abgekühlt wird, friert das CO₂ ein – wird also selbst zu Trockeneis – und ich kann den größten Teil der anderen Gase abpumpen. Abschließend schicke ich den Rest durch einen „Gaschromatographen“, eine Art super dünner Strohhalm, durch den Gase unterschiedlich schnell strömen und unterschiedlich schnell wieder rauskommen. Ich muss also nur den richtigen Moment abpassen. Mein CO₂ ist jetzt besonders rein und ich kann mit meinem Massenspektrometer messen, wie stark die seltenen Isotope verklumpt sind.
Da ich zuvor unter Laborbedingungen getestet habe, wie stark die Isotope bei unterschiedlichen Temperaturen kuscheln, kann ich nun rückwärts rechnen, bei welcher Temperatur mein CO₂ entstanden ist.
Jede Probe hat einen individuellen Temperaturfingerabdruck
Das hilft mir zu verstehen, ob das CO₂ beispielsweise bei normalen Außentemperaturen von Pflanzen ausgeatmet wurde oder ob ein großer Teil in einer Hochtemperaturquelle, also zum Beispiel durch die Verbrennung von Benzin, entstanden ist. Meine Messungen zeigen, dass der CO₂-Anstieg, den man im Winter messen kann, durch Hochtemperaturquellen wie Gasheizungen entsteht.
Das ist kein überraschendes Ergebnis. Diese Methode hilft aber dabei, langfristig zu beobachten, wo das CO₂ in unserer Atmosphäre herkommt und wie Quellen sich verändern. So kann der Erfolg der Klimaschutzmaßnahmen, die wir ergreifen, wissenschaftlich unabhängig überprüft werden und das Ergebnis in zukünftige klimapolitische Entscheidungsprozesse eingehen.
Von Till Gonser
...studiert Physik im Master und fotografiert seit Herbst 2019 für den ruprecht. Von Ausgabe 200 bis Ausgabe 208 leitete er das Online-Ressort, von Ausgabe 205 bis 210 die Bildredaktion.
