Schätze aus der Tiefsee

Unsere hochtechnisierte Welt braucht immer mehr Energie und Rohstoffe. Doch diese gehen zur Neige, zumindest an Land. Deshalb hat der Mensch längst seine Suche auf die Meere ausgeweitet – mit Erfolg.
Erdgas und Erdöl werden schon seit mehr als 100 Jahren aus dem Meeresboden geholt: Bereits 1896 errichtete man in den USA den ersten Ölbohrturm vor der Küste Kaliforniens. Allerdings sind heute viele Lagerstätten im flachen Meer ausgebeutet, deshalb dringt man in immer größere Tiefen vor. Den Tiefenrekord in der Ölförderung hält derzeit eine Bohrinsel im Tobago-Feld im Golf von Mexiko mit 2.934 Meter Wassertiefe. Den Rekord in der Gasförderung hält eine Gasplattform mit 2.740 Metern, ebenfalls im Golf von Mexiko im Cheyenne-Gasfeld. Offshore-Öl trägt mit 37 Prozent zur weltweiten Ölförderung bei, Offshore-Gas hat einen Anteil von 28 Prozent an der globalen Gasförderung. Und dank neuer geophysikalischer Erkundungsverfahren können mittlerweile auch Öl- und Gasfelder im Tiefstwasserbereich, also unterhalb von 1.500 Metern, aufgespürt werden.

Eine neue Hoffnung

Methanhydrat kennt man zwar schon seit den 1930er Jahren, doch erst seit etwas mehr als einer Dekade wird dem eisförmigen Erdgas eine Zukunft als fossiler Energieträger prognostiziert. Forscher attestieren Methanhydrat große Vorkommen und es lässt sich sauberer verbrennen als Kohle.
Methan ist der brennbare Hauptbestandteil von Erdgas. Bei Raumtemperatur und normalem Umgebungsdruck an der Erdoberfläche ist Methan gasförmig, bei Kälte und hohem Druck kann es mit Wasser eisähnliches, festes Methanhydrat bilden. Je wärmer das Wasser ist, desto höher muss der Wasserdruck sein: In der Arktis findet man daher Methanhydrat im Meeresboden bereits ab rund 300 Metern Wassertiefe, in den Tropen erst unterhalb von 600 Metern. Weltweit liegen die meisten Methanhydratvorkommen zwischen 500 und 3.000 Meter Wassertiefe. Die Hydrate sind fest und weiß und ähneln damit gewöhnlichem Wassereis. Holt man sie vom Meeresboden herauf, zerfallen sie langsam. Dabei wird das Methangas frei, das sich entzünden lässt.
Methanhydrat kommt in allen Meeren und vor allem an den Rändern der Kontinente vor, doch der Abbau unterscheidet sich von der Erdgas- und Erdölgewinnung. Erdgas und Erdöl strömen von selbst durch die Poren der Lagerstätten zur Bohrung hin, Methanhydrat dagegen ist fest und muss zunächst zersetzt werden, bevor man es absaugen kann. Über die Gefahren des Abbaus herrschte lange Unklarheit: Befürchtet wurde etwa die unkontrollierte Freisetzung großer Mengen von Methan, die dann in die Atmosphäre aufsteigen und so den Treibhauseffekt verstärken könnten. Eine weitere Gefahr sahen Wissenschafter in Rutschungen von Kontinentalhängen, die durch Bohrungen ausgelöst werden könnten. Laut jüngstem Erkenntnisstand ist weder das eine noch das andere der Fall: Auch wenn vermehrt Methan aus dem Meeresboden ins Wasser gelangt, werde es auf seinem Weg Richtung Wasseroberfläche von Bakterien abgebaut, so die Forschung. Erwärmen sich die Weltmeere jedoch weiterhin im derzeitigen Ausmaß, können sich vor allem in flacheren Meeresbereichen größere Mengen an Methanhydraten zersetzen, die nicht mehr von Bakterien abgebaut werden können, wodurch das gefürchtete Treibhausgas doch verstärkt in die Atmosphäre gelangt.
Noch gibt es zwar keine industriell einsetzbare Bohr- und Fördertechnik für den Routinebetrieb, aber Prototypen und Machbarkeitsstudien. Überlegt werden kleine Förderanlagen, die auf den Meeresboden gesetzt werden und das zersetzte Methanhydrat an die Oberfläche befördern sollen.

Knollen, Krusten und Sulfide

Mobiltelefone, Computer, Fernseher oder Batterien, Halbleiter, LEDs, Windkraftanlagen, elektrisch betriebene Autos, Wasserstoffbrennzellen oder Batteriespeicher für den Strom aus Photovoltaikanlagen sind ohne sie unmöglich: Metalle der Seltenen Erden oder Seltenerdmetalle, die in vielen Teilen der Welt im Tagebauverfahren abgebaut werden. Doch dabei wird nicht nur die Umwelt in riesigem Ausmaß zerstört, im Kampf um die Förderrechte werden oft Kriege geführt oder der Abbau erfolgt illegal und unter Umgehung sämtlicher Schutzbestimmungen für die Arbeiter und die Umwelt.
Um die Versorgung mit Rohstoffen künftig sicherzustellen, richten Staaten und Unternehmen mittlerweile ihren begehrlichen Blick vermehrt auf die Meere, vor allem auf die Hochsee, auch Hohe See genannt. Diese umfasst nach Artikel 86 des Seerechtsübereinkommens (SRÜ) von 1982 alle Teile der Meere, die nicht zu einer Ausschließlichen Wirtschaftszone, zum Küstenmeer, zu den Binnengewässern eines Staates oder den Archipelgewässern eines Archipelstaates gehören – das sind zwei Drittel der Ozeane: Sie gelten als Erbe der Menschheit und gemeinsame Ressource aller Staaten und sind damit frei von der Ausübung staatlicher Hoheitsgewalt. Das macht diesen Bereich der Meere, der ab 370 Kilometer beziehungsweise 200 Seemeilen Entfernung von der Küste beginnt, allerdings gleichzeitig zu einer Freizone für illegale Machenschaften. Seit 1994 ist die Internationale Meeresbodenbehörde (International Seabed Authority, ISA) mit Sitz in Kingston, Jamaika, für den Schutz des Meeresbodens zuständig. Sie vergibt Lizenzen zur Erforschung bestimmter Gebiete. Abgebaut wird zwar noch nicht, aber viele Staaten scharren bereits ungeduldig in den Startlöchern, denn der Meeresboden verspricht reiche Ausbeute an gefragten Metallen und Seltenerdmetallen. Diese finden sich in drei Typen von Rohstoffvorkommen:
In Manganknollen, das sind bis zu 20 Zentimeter große, knollenförmige Mineralanreicherungen, die vor allem Mangan, Eisen, Kupfer, Nickel und Kobalt sowie Molybdän, Zink und Lithium enthalten. Das größte Vorkommen findet sich in der Clarion-Clipperton-Zone, dem sogenannten Manganknollengürtel, im Pazifik zwischen Hawaii und Mexiko. Manganknollen finden sich meist in Wassertiefen unterhalb von 3.500 Metern.
In Kobaltkrusten (auch Kobaltreiche Eisen-Mangan-Krusten) sind harte Schichten aus Eisen- und Manganoxiden, die sich auf den Hängen von Unterseevulkanen und Gebirgszügen bilden. Sie entstehen durch die Ablagerung von im Wasser gelösten Mineralien und enthalten vor allem Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel sowie Platin und Seltenerdelemente. Kobaltkrusten gibt es vor allem im Westpazifik in Tiefen von 1.000 bis 3.000 Metern.
In Massivsulfiden, das sind Metall-Schwefel-Verbindungen (Metallsulfide), die an unterseeischen Thermalquellen, auch bekannt als "Schwarze Raucher", in Wassertiefen von 1.600 bis 4.000 Metern entstehen. Diese Hydrothermalvorkommen sind an vulkanische Strukturen gebunden und kommen daher vor allem an tektonischen Schwachstellen der Erdkruste vor, etwa am Mittelozeanischen Rücken. Je nach Region enthalten Massivsulfide Kupfer, Zink, Blei, Gold und Silber sowie Spurenmetalle wie Indium, Germanium, Tellur oder Selen.
Rund 81 Prozent aller bekannten Manganknollenfelder, 46 Prozent der Eisen-Mangan-Krusten und 58 Prozent der Massivsulfide befinden sich in internationalen Gewässern und fallen somit nicht in die Zuständigkeit einzelner Nationen.

Die Technik macht’s möglich

So vielversprechend Manganknollen, Kobaltkrusten und Massivsulfide auch sein mögen, noch mangelt es an effektiven und effizienten Abbaumöglichkeiten. Eines der größten Probleme ist – abgesehen von der Kälte und Finsternis – der enorme Druck, der in der Tiefsee herrscht. Maschinen, die dort zum Einsatz kommen sollen, müssten also entsprechend gut gepanzert sein, was sie jedoch tonnenschwer macht.

Um Manganknollen abzubauen, haben Unternehmen und staatliche Institutionen bereits Prototypen künftiger Abbaugeräte getestet. Das koreanische Forschungsinstitut KIOST etwa hat einen Kollektor für Manganknollen sowie ein Fördersystem für den Transport der Knollen zur Meeresoberfläche entwickelt und beide bereits in Wassertiefen von 1.200 und 1.400 Metern getestet.
In 4.400 Meter Tiefe wagte sich 2017 der Manganknollen-Kollektor Patania I der belgischen Firma DEME-GSR. Bereits ein Jahr später stellte dasselbe Unternehmen Patania II vor. Der zwölf Meter lange, 4,5 Meter hohe, vier Meter breite und 25 Tonnen schwere Manganknollen-Kollektor sollte 2019 getestet werden, der Versuch scheiterte jedoch aufgrund technischer Probleme mit dem Verbindungskabel zum Schiff. Ein zweiter Test im Frühjahr 2021 verlief erfolgreich, stets unter intensiver Beobachtung europäischer Forscher, die Informationen über die Auswirkungen des Knollenabbaus auf die Meeresumwelt sammelten und Beobachtungssysteme testeten. Im Gegensatz zu diesen raupenähnlichen Kollektoren, die mithilfe eines hydraulischen Systems die auf dem Meeresboden liegenden Knollen einsammeln, entwickelte das indische Unternehmen MoES ein mechanisches Konzept mit einem beweglichen Rechen mit Widerhaken, der die Knollen zusammenharken soll. Nach der Aufnahme werden die Knollen gereinigt, zerkleinert und mittels eines vertikalen Fördersystems zur Förderplattform an der Wasseroberfläche transportiert.
Um Kobaltkrusten (genauer gesagt Kobaltreiche Eisen-Mangan-Krusten) vom Meeresboden zu lösen, bedarf es besonderer Maschinen, denn die Krusten bilden die Oberflächen des Untergrundgesteins nach – ist der Grund besonders uneben, können Abbaufahrzeuge also leicht steckenbleiben. Die China Merchants Industry Holdings (CMI) hat allerdings einen Prototyp entwickelt, der im Südchinesischen Meer in 1.300 Metern Wassertiefe erfolgreich getestet wurde. Das Gerät bewegt sich schreitend fort und kann sogar Krusten schneiden und zerkleinern.
Auch der Abbau von Massivsulfiden stellt die Technik vor große Herausforderungen, denn unter anderem muss das harte vulkanische Gestein rund um die Massivsulfide abgetragen werden. Die mittlerweile insolvente kanadische Firma Nautilus Minerals entwickelte für den Abbau einer Lagerstätte von Massivsulfiden in 1.700 Metern Wassertiefe in der Bismarcksee vor Papua-Neuguinea drei ferngesteuerte Unterwasserfahrzeuge: eine Fräse, einen Schüttgutschneider und einen Kollektor; die Geräte kamen jedoch nie zum Einsatz. Auch wenn dieser Ansatz in seiner Effizienz stark bezweifelt wurde, verfolgte die Japan Oil, Gas and Metals National Corporation (JOGMEC) einen vergleichbaren Weg und unternahm mit ebenfalls drei Maschinen 2017 einen ersten erfolgreichen Abbauversuch von Sulfiden im Okinawatrog im japanischen Hoheitsgebiet. Auf das Prinzip einer Schlitzwandfräse setzt ein Konsortium der deutschen Unternehmen Harren & Partner, Combi Lift und Bauer. Sie wird im Pipeline-, Hafen- und Kanalbau angewendet sowie im Meer für den Abbau von Diamanten in einer Wassertiefe von 165 Metern. Durch ihre Konstruktion mit gegenläufig rotierenden Schneidradtrommeln an der Unterseite hinterlässt sie laut Fachleuten nur einen relativ kleinen Abdruck von wenigen Quadratmetern pro Schnitt auf dem Meeresboden. Getestet werden soll ein Prototyp frühestens im Jahr 2026.

Ein weiter Weg

Die Theorie klingt bislang gut, doch die Praxis hinkt noch weit hinterher. Schließlich stehen sämtliche Maschinen und Techniken großen Herausforderungen gegenüber: In der Tiefsee herrschen Temperaturen knapp um den Gefrierpunkt, das Salzwasser fördert die Korrosion, dazu kommen die teils giftigen, teils ätzenden Stoffe, die aus den unterseeischen heißen Quellen strömen, und dem Wasserdruck von 400 bis 600 bar müssen die Geräte ebenfalls standhalten. Die Fräsen, Kollektoren und Fördersysteme sollten außerdem nahezu wartungsfrei sein, um den Aufwand des Transports im Fall einer Reparatur an die Meeresoberfläche zu vermeiden.
Alle bisher entwickelten Maschinen sind Prototypen, für die Industrialisierung des Meeresbodens, also eine Rohstoffförderung in großem Maßstab, müssen die entsprechenden Abbaugeräte erst hergestellt werden. Weiters ist die Verarbeitung der gewonnenen Rohstoffe noch nicht ausgereift. Um etwa die Metalle aus Manganknollen zu gewinnen, müssen diese zuerst unter großer Hitze geschmolzen werden – ein äußerst energieaufwendiger Vorgang. Nach der Schmelze sind die begehrten Buntmetalle aber noch mit Eisen verklumpt. Nach einer weiteren Trennung bleibt allerdings nur wenig Ausbeute. Außerdem stellt sich die Frage, wo verhüttet werden soll. Da viele Lizenzgebiete im Manganknollengürtel europäischen Staaten gehören, hätten die Knollen eine langen Transportweg vor sich. Lateinamerika würde sich anbieten, dort fehlen aber die Umweltstandards – Buntmetalle in hoher Konzentration sind jedoch giftig für Mensch, Tier und Umwelt. Wie teuer Förderung, Verhüttung und Verarbeitung schlussendlich sind, ist ebenfalls noch ungeklärt.

Abbau um jeden Preis?

Die Tiefsee ist bis heute ein weitgehend unerforschter Bereich. Über die Funktionsweise dieses Ökosystems und seine Bewohner weiß man verhältnismäßig wenig, außer dass sie wahre Überlebenskünstler sind angesichts von tiefen Temperaturen, totaler Finsternis und hohem Druck. Viele der Lebewesen können jedoch sehr alt werden und erreichen oft erst nach Jahrzehnten ihre Geschlechtsreife, das heißt die Reproduktionsraten sind langsam und gering. Die Tiefsee ist damit denkbar schlecht ausgerüstet, um sich raschen Veränderungen ebenso rasch anzupassen. Das beweist unter anderem ein Experiment aus dem Jahr 1989: Deutsche Forscher simulierten 3.000 Kilometer vor der Küste Perus die Förderung von Manganknollen, indem sie eine Pflug-Egge kreuz und quer über den Meeresboden zogen. Nach 26 Jahren waren die Spuren immer noch deutlich sichtbar, der Sauerstoffgehalt und die chemische Zusammensetzung des Bodens gestört. In den alten Spuren war die Zahl der Bakterien um ein Drittel gesunken, mikrobielle Prozesse hatten sich gleich um drei Viertel verringert. Das aufgewirbelte und sich nur langsam absetzende Sediment enthält außerdem gelöste Metalle, die in hoher Konzentration giftig sind und somit Tiere und Pflanzen der Tiefsee massiv gefährden.
Doch nicht nur die unglaubliche Lebensvielfalt dieses kaum bekannten Lebensraums sieht sich durch den Tiefseebergbau einer massiven Bedrohung gegenüber, das Umackern des Meeresbodens kann auch bisher ungeahnte Auswirkungen auf den Klimawandel haben – schließlich ist die Tiefsee ein riesiger Kohlenstoffspeicher: Die Gesamtmenge des in den Ozeanen gelösten organischen Kohlenstoffs entspricht etwa der Menge an Kohlenstoff in Form von Kohlendioxid in der Atmosphäre. Der gelöste organische Kohlenstoff des Meeres kann ausschließlich von Mikroorganismen umgesetzt werden. In den Oberflächengewässern erledigen das heterotrophe Mikroorganismen – sie wandeln ihn um, bauen ihn in Bakterienzellen ein und geben ihn als Kohlendioxid in das Umgebungswasser ab. In der Tiefsee nahm man hingegen aufgrund des Alters des gelösten organischen Kohlenstoffs (er ist rund 4.000 bis 6.000 Jahre alt) an, dass diese Moleküle für die in der Tiefsee lebenden Mikroben nicht verfügbar sind. In Experimenten, in denen gelöstes organisches Material aus dem Wasser aus 2.000 bis 5.000 Meter Tiefe des Atlantiks aufkonzentriert wurde, konnte ein internationales Forschungsteam um den österreichischen Zoologen und Meeresbiologen Gerhard J. Herndl von der Universität Wien jedoch schon 2015 zeigen, dass Tiefwassermikroben durchaus in der Lage sind, dieses organische Material effizient zu nutzen. Wird durch den Bergbau die Konzentration aber plötzlich massiv erhöht, könnte das die Mikroben überfordern und sie können ihrer Rolle im Ökosystem nicht mehr gerecht werden.

Pausetaste drücken!

Da viele Studien zeigen, dass der Tiefseebergbau gravierende Auswirkungen auf die Biodiversität haben und das natürliche Gleichgewicht der Meere, die durch den Klimawandel ohnehin bereits stark unter Druck stehen, weiter stören wird, fordern immer mehr Länder entweder ein Moratorium oder wie etwa Deutschland eine "vorsorgliche Pause" ("precautionary pause") vor der Aufnahme eines kommerziellen Tiefseebergbaus, bis weitere wissenschaftliche Erkenntnisse zu den Langzeitfolgen vorliegen. Länder wie Frankreich und Organisationen aus der Zivilgesellschaft, insbesondere aus dem Pazifik, rufen sogar zu einem völligen Verbot von Tiefseebergbau auf. Doch die letzte Ratssitzung der ISA Ende März zur Regulierung des Tiefseebergbaus ging ohne verbindliches Ergebnis zu Ende. Damit wird die am 9. Juli ablaufende Frist, verbindliche Regularien zum kommerziellen Abbau von Rohstoffen auf dem Meeresboden internationaler Gewässer zu verabschieden, versäumt. Danach müssen Tiefseebergbauanträge bearbeitet werden, auch wenn weiter kein Regelwerk vorliegt. Die 36 Ratsmitgliedsstaaten einigten sich bei ihrem fast zweiwöchigen Treffen nur darauf, bis zur nächsten Sitzung im Juli – einen Tag nach Ablauf der Frist – einen informellen Dialog fortzusetzen. Ob dieser Erfolge bringen wird, ist fraglich.