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Geoengineering
Der Sammelbegriff Geoengineering (Geo-Engineering) oder Climate Engineering bezeichnet vorsätzliche und großräumige Eingriffe mit technischen Mitteln in …
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Begriff, Ziele und Einordnung
Geoengineering, auch Climate Engineering, bezeichnet vorsätzliche und großräumige Eingriffe mit technischen Mitteln in geochemische oder biogeochemische Kreisläufe der Erde. Hauptziele sind, die anthropogene globale Erwärmung abzubremsen, die CO₂-Konzentration der Atmosphäre zu verringern und die Versauerung der Meere zu reduzieren.
Der IPCC definiert Geoengineering als „eine breite Gruppe von Methoden und Technologien, die darauf zielen, vorsätzlich das Klimasystem zu ändern, um die Folgen des Klimawandels abzumildern“. Die Royal Society spricht vom „vorsätzlichen großskaligen Eingriff in das Klimasystem der Erde, um die globale Erwärmung abzubremsen“. Vorsätzlichkeit und Großskaligkeit gelten als zentrale Merkmale. Unbeabsichtigte Sulfataerosole aus der Verbrennung von Kohle und Öl zählen deshalb ebenso wenig zum Geoengineering wie kleinräumige, kurzlebige Wettermodifikation.
Es werden zwei Hauptgruppen unterschieden: Solar Radiation Management (SRM), also Strahlungsmanagement, soll die Reflexion der Sonnenstrahlung erhöhen oder ihre Absorption verringern. Carbon Dioxide Removal (CDR), also Kohlendioxidentnahme, soll CO₂ aus der Atmosphäre entfernen und möglichst dauerhaft speichern. CDR gewinnt im Zusammenhang mit Netto-Null-Zielen an Bedeutung. In 82 % der Szenarien des IPCC-Sonderberichts „1,5 °C globale Erwärmung“ sind negative Emissionen erforderlich; in diesen Szenarien beginnt der CDR-Einsatz im Median ab 2021 und erreicht 14,1 Gt CO₂ pro Jahr im Jahr 2050.
Die Grenzen zu Klimaschutz und Klimaanpassung sind unscharf. Der IPCC zählt zur Klimaschutzpolitik Maßnahmen zur Verringerung von Treibhausgasemissionen oder zur Verbesserung von Kohlenstoffsenken. Dazu können Aufforstung und bestimmte Formen von CDR gehören. Klimaanpassung verringert dagegen die Verwundbarkeit gegenüber Klimafolgen. Das Weißen von Dächern kann beispielsweise als Anpassung an ein heißeres Stadtklima, teilweise aber auch als Geoengineering gelten.
Wichtige Unterscheidungsmerkmale sind die notwendige räumliche und technische Skalierung, grenzüberschreitende Wirkungen, Geschwindigkeit und Dauerhaftigkeit. SRM wirkt grundsätzlich schnell, aber nur solange es fortgeführt wird. Bei einem Abbruch droht der Terminationseffekt oder Terminationsschock: eine abrupte Erwärmung, die deutlich schneller als der gegenwärtige Klimawandel ablaufen könnte.
Historisch reichen Überlegungen zur Wettermodifikation mehrere Jahrhunderte zurück. Eine Empfehlung zur Erforschung einer Erhöhung der Erd-Albedo erschien 1965. Der Begriff Geoengineering wurde in den 1970er Jahren von Cesare Marchetti geprägt. 1992 wurde er durch eine Studie der National Academy of Sciences bekannter, 2006 rückte Paul Crutzens Vorschlag einer Schwefelinjektion in die Stratosphäre in den Mittelpunkt. Seit den 2000er Jahren werden neben technischen auch gesellschaftliche, politische, ethische und rechtliche Fragen untersucht.
Solar Radiation Management
SRM soll einfallendes kurzwellige Sonnenlicht stärker reflektieren. Es entfernt jedoch weder CO₂ noch andere Treibhausgase und verhindert weder die Versauerung der Meere noch deren Folgen. Ein früherer Klimazustand wird nicht wiederhergestellt. Methoden an der Erdoberfläche gelten als wenig effektiv, weltraumbasierte Methoden als technisch sehr schwierig und teuer. Die Forschung konzentriert sich vor allem auf aufgehellte Wolken und stratosphärische Aerosole.
Bei der Erhöhung der Oberflächenalbedo werden Dächer und Siedlungsflächen weiß gemacht, hellere Gräser und Feldfrüchte angebaut, bei der Direktsaat helle Pflanzenreste auf dem dunkleren Boden belassen oder große Wüstenflächen mit reflektierendem Material bedeckt. Die geschätzten Kosten eines global wirksamen Einsatzes reichen von hunderten Milliarden bis zu Billionen US-Dollar pro Jahr. Regional könnten solche Maßnahmen die Erwärmung um bis zu 2–3 °C verringern, etwa in dicht besiedelten Gebieten oder wichtigen Anbaugebieten. Für Indien, China und Südostasien zeigen Simulationen allerdings ein Risiko verringerter Niederschläge.
Marine Cloud Brightening (MCB), die Aufhellung niedriger Meereswolken, soll durch kleinere und langlebigere Wolkentröpfchen mehr Sonnenlicht reflektieren. Dazu könnten Flugzeuge, Schiffe oder speziell entwickelte Wasserfahrzeuge Meerwasser oder Meersalz versprühen. Stephen Salter schlug windbetriebene Glasfaserboote mit Unterwasserturbinen vor. Die Wirkung hängt stark von örtlichen Zirkulations- und Meeresströmungsmustern ab und könnte durch deren Veränderung innerhalb weniger Jahrzehnte nachlassen.
Bei stratosphärischen Aerosolen werden verschiedene Stoffe diskutiert. Calciumcarbonat gilt 2021 als vielversprechendstes Aerosol. Das Harvard-Projekt SCoPEx plante, einige Kilogramm Calciumcarbonat in 20 km Höhe freizusetzen; der für 2021 geplante Ballonversuch über Schweden wurde nach der Empfehlung eines Ethikrats abgesagt. Die weltweite Verteilung von Kalk in der Stratosphäre wurde auf 20 Milliarden Euro jährlich geschätzt, zusätzlich zu Beobachtungs- und Folgekosten. Bismut(III)-iodid wurde ebenfalls untersucht; David Mitchell schlug 2017 jährlich 160 t zu Kosten von etwa 6 Millionen US-Dollar vor.
Aluminiumoxid wurde in einem Vorschlag von David W. Keith vom 7. September 2010 zusammen mit Aluminium und Bariumtitanat in Form von 10 Mikrometer breiten und 50 Nanometer dicken Nanopartikeln vorgesehen. Diese Scheiben sollten in 40–50 km Höhe durch Photophorese schweben und Sonnenlicht reflektieren. Eine Aluminiumoxidschicht sollte Aluminium schützen, die Aluminiumschicht reflektieren und die Bariumtitanatschicht elektrische Aufladung und Photophorese ermöglichen. Gegenüber Schwefelmodellen wurden geringere Ozonschäden und eine längere Lebensdauer angenommen; Aluminium und Bariumtitanat sind jedoch gesundheitsschädlich.
Beim Schwefelansatz wird Schwefeldioxid in die Stratosphäre gebracht, dort zu Sulfaten oxidiert und bildet mit Wasser reflektierende Schwefelaerosole. Der Ausbruch des Pinatubo 1991 senkte die globale Temperatur um 0,5 °C; beim Ausbruch des Toba vor etwa 75.000 Jahren werden 3–5 °C, anderen Modellrechnungen zufolge sogar 8–17 °C Abkühlung geschätzt. Die Lebensdauer stratosphärischer Aerosole beträgt etwa ein Jahr. Diskutiert wurden unter anderem Schläuche von etwa 25 km Länge, Heißluftballons und die Nutzung schwefelhaltiger Industrieemissionen. Crutzen schätzte die Kosten auf 25–50 Milliarden US-Dollar jährlich.
Schwefel gilt wegen möglicher Ozonschäden, saurem Regen, veränderten Niederschlägen, stärkerer Austrocknung der Kontinente und regional sehr unterschiedlicher Klimawirkungen als problematisch. Die Versauerung der Meere würde fortbestehen. 2021 wurde Calciumcarbonat als vielversprechender, Schwefel als ungeeignet bewertet.
Carbon Dioxide Removal
CDR bedeutet, CO₂ gezielt aus der Atmosphäre zu entfernen und in andere Kohlenstoffreservoirs einzulagern. Der dadurch bewirkte Kohlenstofffluss in dauerhafte Senken wird als negative Emission bezeichnet; die entsprechenden Technologien heißen auch negative emissions technologies (NET). Geologische Reservoirs können Kohlenstoff dauerhaft speichern. Als permanent gelten Speicher, in denen Kohlenstoff mindestens über zehntausende Jahre eingeschlossen bleibt. Land- und ozeanbasierte Speicher gelten dagegen nicht als permanent und können Kohlenstoff wieder freisetzen.
Geologische und ozeanische Reservoirs könnten mehrere tausend Gigatonnen (Gt) Kohlenstoff aufnehmen, landbasierte grob 200 Gt. Zum Vergleich: Die energiebedingten CO₂-Emissionen betrugen 2017 etwa 32,5 Gt CO₂ beziehungsweise ungefähr 8,9 Gt Kohlenstoff. Die Meere und die Biosphäre nehmen gegenwärtig etwa die Hälfte der menschlichen CO₂-Emissionen auf. Das dämpft den Anstieg der atmosphärischen Konzentration, verursacht aber Meeresversauerung und beeinflusst das Pflanzenwachstum. Wegen dieses Rebound-Effekts muss für eine gewünschte CO₂-Reduktion in der Atmosphäre ungefähr das Doppelte an CO₂ entfernt werden.
Zu den landbasierten biologischen Verfahren gehören veränderte Bodenbearbeitung, Aufforstung, Wiedervernässung von Mooren sowie Bioenergie mit CO₂-Abscheidung und -Speicherung (BECCS). Der Kohlenstoff wird in Biomasse, Böden oder Holz gebunden. Begrenzte Agrarflächen, Nährstoffe und Wasser beschränken diese Ansätze. Großflächiges BECCS könnte die Süßwassernutzung, Landnutzung, Biosphäre und biogeochemischen Kreisläufe zusätzlich belasten. Typische Szenarien benötigen für Biomasseplantagen etwa die 1,2-fache Fläche Indiens; der großtechnische Einsatz gilt deshalb als hochspekulativ.
Ozeanbasierte Verfahren sollen das Phytoplanktonwachstum fördern. Vorgeschlagen wurden das Aufwirbeln nährstoffreicher Tiefenwasser sowie eine Düngung mit Eisen oder Phosphor. Beim Experiment EisenEx im Jahr 2000 und bei LOHAFEX im Frühjahr 2009 zeigte sich jedoch, dass der Effekt gering war: Das Plankton wurde vor dem Absinken fast vollständig von Tieren gefressen, die das CO₂ wieder ausatmeten. Zusätzlich bestehen Risiken für die Meeresfauna, die Bildung sauerstoffarmer Meeresregionen und ein möglicher Verstoß gegen das Moratorium zur Ozeandüngung.
Bei der beschleunigten Verwitterung sollen Silikat- oder Karbonatgesteine schneller CO₂ binden. Vorgeschlagen wurden künstliches Gesteinsmehl an Land, die Nutzung von Alkalinität bei der Wasserstoffherstellung sowie die Einbringung von Silikaten oder Karbonaten in die Meere. Ein abruptes Ende künstlicher Ozeanalkalisierung könnte regional eine besonders schnelle Erwärmung und Versauerung auslösen.
Direct Air Capture entzieht der Umgebungsluft CO₂ durch Absorption mit Feststoffen, hochalkalischen oder katalysatorgestützten alkalischen Lösungen. Das CO₂ soll geologisch oder ozeanisch gespeichert werden. Die geringe CO₂-Konzentration der Luft begrenzt die Leistungsfähigkeit; die Abscheidung direkt an Emissionsquellen gilt wegen der höheren Konzentration als vielversprechender. Das ISA-Verfahren kombiniert Schwebstaub aus Eisenoxid oder Eisenchlorid, den Abbau von Methan, Ruß, Ozon und flüchtigen organischen Verbindungen, eine stärkere Wolkenreflexion sowie eine mögliche Förderung der Biomasseproduktion.
Weitere Ansätze und regionaler Schutz
Hohe Zirruswolken erwärmen das Klima. Flugzeuge könnten bestimmte Eiskristalle als Kondensationskeime einbringen und dadurch die Wolkeneigenschaften so verändern, dass mehr langwellige Wärmestrahlung aus der Atmosphäre entweicht. Dieser Ansatz ist weder eindeutig SRM noch CDR zuzuordnen und wird deshalb teilweise als Radiation Management bezeichnet.
Weltraumbasierte Vorschläge reichen von großen Spiegeln bis zu einem Sonnenschild am Lagrange-Punkt L1 zwischen Erde und Sonne. Hermann Oberth beschrieb 1923 Spiegel mit einem Durchmesser von 100–300 km aus einzeln verstellbaren Facetten. Weitere Vorschläge betrafen Mondmaterial, Sonnensegel oder eine Wolke aus etwa 20 Mio. t beziehungsweise 15 Billionen kontrollierbaren Scheiben. Tharshan Maheswaran und Sebastian Fix beschrieben 2021 eine Roadmap für einen internationalen planetarischen Sonnenschild, der bis 2060 in Betrieb gehen könnte. Die technische und finanzielle Realisierbarkeit bleibt sehr schwierig.
Der Schutz der Kryosphäre ist vor allem regional ausgerichtet und kein globales Climate-Engineering. Die Arktis erwärmte sich 1979–2021 fast viermal schneller als der globale Durchschnitt. Vorgeschlagen wurden unter anderem Barrieren vor Gletscherzungen, künstliche Inseln, Pumpstationen und Drainagesysteme unter Eisschilden, um den Eisfluss zu verlangsamen. Diese Maßnahmen wären extrem aufwändig, könnten Nährstofftransporte und Organismenwanderungen verändern oder sogar einen schnelleren Rückzug von Gletscherzungen auslösen.
Meereis besitzt wegen seiner hohen Albedo eine kühlende Wirkung. Seit den 1980er Jahren gingen etwa 15 % dieses Kühleffekts verloren. Hohle Glasmikrokugeln sollten die Rückstrahlung erhöhen; dafür wären jährlich etwa 36 Millionen Tonnen nötig gewesen. Spätere Abschätzungen ergaben, dass die Kugeln die Albedo möglicherweise sogar verringert hätten; zusätzlich bestanden Bedenken wegen ihrer Toxizität. Das Arctic Ice Project stellte seine Arbeit 2025 ein. Windgetriebene Pumpen könnten Meerwasser versprühen oder direkt auf das Eis bringen, damit es gefriert. Um den Verlust des Meereises zu stoppen, wären nach einer Schätzung auf 10 % der Fläche des Arktischen Ozeans etwa 10 Millionen Pumpen erforderlich.
Gefahren, politische Debatte und Zusammenarbeit
Geoengineering ist mit erheblichen Unsicherheiten verbunden. Alan Robock veröffentlichte 2008 eine Liste mit 20 möglichen Gefahren; mindestens 13 davon betreffen Nebenwirkungen für Klimasystem und Umwelt. Genannt werden unter anderem regionale Temperatur- und Niederschlagsänderungen, Ozonschäden, saurer Regen, Auswirkungen auf Flora und Fauna, eine geringere Leistung von Solaranlagen, Veränderungen der natürlichen Bewölkung, unbekannte Effekte, menschliches oder technisches Versagen, militärischer Missbrauch, kommerzielle Kontrolle, sehr hohe Kosten, fehlende Entscheidungsregeln und Konflikte darüber, wer die globale Temperatur bestimmen darf. SRM senkt weder den CO₂-Gehalt noch die Meeresversauerung und könnte die Bereitschaft zu Emissionsminderungen schwächen.
Besonders gefährlich wäre ein abrupter Abbruch kühlender Maßnahmen. Dann könnte die globale Durchschnittstemperatur um 2–4 °C pro Dekade steigen, also mit etwa 20-facher Rate der heutigen Erwärmung. Für weltraumbasierte Maßnahmen wäre grundsätzlich das Weltraumhaftungsrecht anwendbar, doch das Weltraumhaftungsübereinkommen sieht bislang keinen Ersatz von Umweltschäden und keine entsprechende Regelung für staatsfreie Räume wie die Antarktis vor.
In den 1960er Jahren wurden Geoengineering-Projekte teilweise euphorisch beurteilt. Heute überwiegt insbesondere in Europa Skepsis. Befürworter argumentieren, Geoengineering könne als Ultima Ratio für eine Klimanotsituation erforscht werden. Die Royal Society betont jedoch, dass es keine Alternative zu Emissionsreduktionen sei; diese müssten höchste Priorität behalten. Sie fordert mehr Forschung, öffentliche Beteiligung und ein Regulierungssystem. Kritiker wie Michael E. Mann warnen vor unbekannten Folgen und davor, dass Geoengineering von Interessen an der weiteren Nutzung fossiler Brennstoffe instrumentalisiert werden könnte. Der WBGU empfiehlt, keine Maßnahmen zur Manipulation des globalen Strahlungshaushalts zu ergreifen.
Internationale Regeln bestehen nur teilweise. Im Rahmen der Biodiversitätskonvention wurde beschlossen, Geoengineering-Aktivitäten bis zum Vorliegen einer umfassenden wissenschaftlichen Grundlage zu unterlassen; kleine Forschungsstudien können unter strengen Bedingungen ausgenommen werden. 2010 gründeten Royal Society, TWAS und Environmental Defense Fund die Solar Radiation Management Research Governance Initiative. Seit 2014 bringt die Climate Engineering Conference Forschung, Politik und Zivilgesellschaft zusammen. Bei der UNEA 6 im Februar/März 2024 scheiterte die Schweiz erneut mit dem Versuch, eine internationale Diskussion über SRM zu beginnen. Eine strukturierte globale Debatte fehlt weiterhin.
