Tiefseebergbau: Forscher entdecken brennende Gesteinsbrocken als neues Risiko
USGS-Wissenschaftler finden heraus, dass metallreiche Tiefseegesteine bei Luftkontakt spontan Feuer fangen können.
Wissenschaftler des United States Geological Survey (USGS) haben entdeckt, dass einige metallreiche Gesteinsproben aus der Tiefsee bei Kontakt mit Luft und während der Verarbeitung spontan verbrennen können. Dies wirft unerwartete Sicherheitsbedenken für eine potenzielle neue Bergbauindustrie auf, die auf die Förderung von Metallen vom Meeresboden abzielt.
Die Erkenntnisse stammen aus einer Forschungsmission im Jahr 2022 zum Escanaba-Trog an der Grenze zwischen Oregon und Kalifornien. Dort gerieten zwei von 57 hydrothermalen Gesteinsproben während der Laborverarbeitung in Brand. Laut einer in Nature's Scientific Reports veröffentlichten Studie erzeugten die Reaktionen Temperaturen von über 100 °C und oxidierten das ursprüngliche Material vollständig.
"Die Wärmeproduktion durch exotherme Reaktionen wurde in massiven Sulfidablagerungen am Meeresboden noch nicht untersucht, birgt aber das Potenzial, auf Schiffen zu rasch auftretenden Bränden zu führen", schrieben die Forscher. Die Entdeckung stellt ein weiteres Hindernis für Unternehmen dar, die versuchen, wertvolle Metalle vom Meeresboden zu extrahieren. Zwar enthalten Tiefsee-Sulfidablagerungen Kupfer, Zink, Gold und Silber, doch ihr Verhalten während der Förderung, des Transports und der Verarbeitung ist den Forschern zufolge nur unzureichend verstanden.
Unerwartete Reaktionen im Labor
Das USGS sammelte die Proben in Zusammenarbeit mit dem Bureau of Ocean Energy Management (BOEM) und der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) und untersuchte dabei vier Regionen des Escanaba-Trogs mit einem ferngesteuerten Unterwasserfahrzeug (ROV). Der Trog liegt innerhalb der ausschließlichen Wirtschaftszone der USA und enthält Mineralablagerungen, die durch hydrothermale Aktivität entstanden sind und Metalle wie Kupfer, Zink und Eisen am Meeresboden konzentrieren.
Die meisten geborgenen Gesteine enthielten beträchtliche Mengen an Metalloxiden bzw. -sulfiden. Als die Forscher die Proben jedoch im Labor gefriergetrocknet und zerkleinert hatten, unterzogen sich zwei davon einer schnellen Oxidation und erzeugten genügend Wärme, um sich selbst zu entzünden. Um herauszufinden, was diese Reaktionen verursachte, verglichen die Wissenschaftler die mineralische Zusammensetzung, Chemie und das thermische Verhalten der Proben.
Anfangs prüften sie, ob Petroleum oder Teer, das in den Ablagerungen eingeschlossen war, die Verbrennung erklären könnte. Hydrothermale Prozesse und starke Sedimentation können petroleumsähnliche Materialien erzeugen, die bei Sauerstoffkontakt zur Selbstentzündung neigen. Stattdessen identifizierte die Untersuchung nanokristallines Marcasit, eine instabile Form von Eisensulfid, als wahrscheinliche Ursache.
Die Wissenschaftler stellten fest, dass die Exposition gegenüber Sauerstoff und mechanische Kräfte beim Zerkleinern oder Mahlen oxidationsbedingte Wärmeentwicklung in den Gesteinen auslösen können. "Die neuen Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass einige massive Sulfidgesteine am Meeresboden physikalische und chemische Eigenschaften aufweisen, die dazu führen können, dass sie sich sehr anders verhalten als vergleichbare Mineralablagerungen, die an Land abgebaut werden", sagte das USGS in einer Erklärung.
Die Ergebnisse belegen nicht, dass alle marcassithaltigen Ablagerungen ein Verbrennungsrisiko darstellen. Vielmehr weisen sie auf spezifische mineralische Merkmale hin, die vor Beginn der kommerziellen Extraktion einer genaueren Prüfung bedürfen könnten.
Bedeutung für die Bergbauindustrie
Diese Forschung kommt zu einem Zeitpunkt, an dem das Interesse an mineralischen Ressourcen der Tiefsee wächst, getrieben durch die Nachfrage nach Metallen für Infrastruktur, Fertigung und Energietechnologien. Die International Seabed Authority (ISA) hat Explorationsverträge für polymetallische Sulfidablagerungen entlang des Nordatlantischen Mittelozeanischen Rückgrats und des Südwestindiatischen Rückgrats vergeben, obwohl die kommerzielle Extraktion gemäß diesen Verträgen noch nicht begonnen hat.
Im Gegensatz zu Mineralien, die am Meeresboden relativ stabilen Bedingungen unterliegen, würden geborgene Sulfidgesteine während der Bergbauoperationen erheblichen Umweltveränderungen ausgesetzt sein. "Falls der Abbau massiver Sulfidablagerungen am Meeresboden stattfindet, würden an die Oberfläche gebrachte Gesteine Bedingungen erfahren, die dramatisch von denen am Meeresboden abweichen, einschließlich der Exposition gegenüber Sauerstoff sowie Veränderungen von Temperatur, Druck und Feuchtigkeit", so das USGS. "Solche Veränderungen könnten beeinflussen, wie Sulfidminerale reagieren und wie viel Wärme sie erzeugen."
Diese Risiken könnten erfordern, dass Betreiber die Stabilität der Minerale vor der Extraktion bewerten und Verfahren für den Umgang, die Lagerung und den Transport potenziell reaktiven Materials entwickeln. Die Möglichkeit einer Hitzestauung an Bord von Schiffen stellt insbesondere dann ein besonderes Anliegen dar, wenn große Mengen zerkleinerter Sulfidgesteine in geschlossenen Räumen konzentriert werden.
Die Tiefsee-Bergbauunternehmen The Metals Company (Nasdaq: TMC) und Deep Sea Minerals (CSE: SEAS) haben auf Anfragen von MINING.COM bezüglich potenzieller betrieblicher Sicherheitsbedenken oder ob sie ähnliche Risiken bewertet haben, nicht reagiert. Die Ergebnisse fügen der Branche, die bereits wegen ihrer potenziellen Umweltauswirkungen unter Beobachtung steht, eine dimensionale Komponente der Arbeitssicherheit hinzu.
Umweltgruppen haben gewarnt, dass der Abbau am Meeresboden zerbrechliche marine Lebensräume schädigen, Sedimente aufwirbeln und Ökosysteme bedrohen könnte, deren Zusammenhänge die Wissenschaft erst beginnt zu verstehen. Die Folgen eines großflächigen Abbaus bleiben unsicher, insbesondere in der Tiefsee, wo die Erholung von Störungen langsam vonstattengehen kann.
Für künftige Betreiber deutet die Forschung des USGS darauf hin, dass herkömmliche Ansätze zum Umgang mit Sulfiderzen den Bedingungen, die beim Tiefseebergbau auftreten, möglicherweise nicht angemessen gerecht werden. Weitere Tests sind erforderlich, um festzustellen, wie verbreitet reaktiver Marcasit in Meeresbodenablagerungen vorkommt und ob die Laborergebnisse in vergleichbare Gefahren bei industriellen Operationen übersetzt werden können.