Kohlekraftwerke als Nanopartikel-Schleudern

Beunruhigende Entdeckung: Bei der Verbrennung von Kohle werden offenbar große Mengen von zuvor unerkannten mineralischen Nanopartikeln frei. Forscher haben diese Titansuboxid-Partikel in Kohleasche und Sedimenten rund um Kohlekraftwerke und bei Laborversuchen zur Kohleverbrennung nachgewiesen. Ein erster Test legt nahe, dass diese exotischen Nanopartikel gesundheitsschädliche Wirkungen haben könnten. Weitere Studien dazu seien daher dringend nötig, so die Forscher im Fachmagazin „Nature Communications“.

Rund 30 Prozent des weltweiten Energiebedarfs werden heute aus der Verbrennung von Kohle gewonnen. Vor allem bei der Stromerzeugung und bei der Stahlherstellung ist die Kohle noch immer führend. Dies jedoch hat eine gleich zweifach negative Wirkung auf die Umwelt: Langfristig verstärkt das dabei freigesetzte Kohlendioxid den Treibhauseffekt. Kurzfristig setzt die Kohleverbrennung Ruß und anderem Feinstaub frei, die Umwelt und die menschliche Gesundheit schädigen.

Unbekannte Titanoxid-Variante

Und es könnte noch dicker kommen: Yi Yang vom Virginia Virginia Polytechnic Institute (Virginia Tech) und seine Kollegen haben eine bisher unbekannte Art von Nanopartikeln entdeckt, die bei der Kohleverbrennung entstehen und freiwerden. Auf erste Hinweise stießen sie, als sie Flusssedimente und Kohleasche in der Nähe eines Kohlekraftwerks analysierten.

In den Proben entdeckten die Forscher zu ihrer Überraschung jede Menge Nanopartikel einer bestimmten Gruppe von Titanoxiden, den sogenannten Magnéli-Phasen. Diese Verbindungen sind durch die chemische Formel Ti_xO_2x-1 charakterisiert – und extrem selten. „Ich konnte deshalb am Anfang gar nicht glauben, was wir da gefunden hatten“, sagt Yang.

In allen Kohleaschen enthalten

Nach gängigem Wissen kommt diese Variante von Titansuboxid-Nanopartikeln in der Natur so gut wie gar nicht vor. Gefunden wurden sie bisher nur in einigen Meteoriten, in Mondgestein und in einer einzigen Gesteinsformation im Westen Grönlands. Umso rätselhafter war daher der Fund von bis zu sechs Gramm pro Kilogramm Magnéli-Phasen in den Proben aus der Umgebung des Kohlekraftwerks.

Elektronenmikroskopische Aufnahmen von Titansuboxid-Nanopartikeln aus Sediment (oben) und Kohleasche aus Kraftwerksnähe, sowie Elektronendiffraktionsbild des rungen Ausschnitts. © Yang et al./ Nature Communications, CC-by-sa 4.0

War dies möglicherweise nur eine Eigenheit dieses speziellen Kraftwerks? Um das zu überprüfen, analysieren die Forscher Ascheablagerungen von zwölf weiteren Kohlekraftwerken in verschiedenen Regionen der USA und Chinas. Das Ergebnis: Alle Proben enthielten eine bis drei verschiedene Varianten dieser Titansuboxid-Nanopartikel, am häufigsten war dabei Ti₆O₁₁, wie sie berichten.

Produkt der Kohleverbrennung

Der naheliegende Verdacht der Forscher: Möglicherweise entstehen diese Nanopartikel bei der Verbrennung von Kohle – als bisher unerkannte Beiprodukte. Wie sie erklären, enthält Kohle häufig titanhaltige Minerale in Form von Rutil, Anatase oder Brookit. „Deren Gehalt variiert dabei von wenigen Zehntel Prozent zu mehreren Prozent“, so Yang und seine Kollegen.

In Laborversuchen testeten die Wissenschaftler, ob und unter welchen Bedingungen diese Titanminerale bei der Kohleverbrennung in Magnéli-Phasen umgewandelt werden. Es zeigte sich: Wird pulverisierte Kohle bei mindestens 900 Grad verbrannt, bilden sich diese Titansuboxid-Nanopartikel. Bei der Kohleverbrennung in Kraftwerken und auch bei der Herstellung von Koks können demnach diese Nanopartikel entstehen und dann mit dem Abgas in die Luft und Umwelt gelangen.

Schon eine Milliarde Tonnen freigesetzt?

Sollte sich dies bestätigen, dann könnten seit Beginn der industriellen Revolution bereits große Menge dieser Nanopartikel unerkannt in die Umwelt freigesetzt worden sein. Die Wissenschaftler schätzen die Menge der seit rund 200 Jahren ausgestoßenen Magnéli-Phasen auf mindestens eine Milliarde Tonnen.

In den USA und anderen Ländern mit verstärkten Umweltauflagen wird zumindest ein Teil dieser und anderer Nanopartikel inzwischen durch Filter aus dem Kraftwerks-Abgas entfernt, wie Hochella erklärt. „Aber in Ländern, in denen Feinstaub weniger effektiv oder gar nicht herausgefiltert wird, werden diese Titansuboxid-Partikel weiterhin in die Atmosphäre freigesetzt – beispielsweise in Indien oder China.“

Schädlich für Organismen?

Was aber bedeutet dies für Umwelt und Gesundheit? Von Titandioxid-Nanopartikeln (TiO₂) ist bereits bekannt, dass sie Zellen durch oxidativen Stress schädigen und Entzündungen im Lungengewebe und Darm verursachen können.

In einem ersten Toxizitätstest mit Titansuboxid Ti₆O₁₁ bei Zebrafisch-Embryos haben Yang und seine Kollegen festgestellt, dass diese Nanopartikel die Überlebensrate der Fischembryos verringern und dabei auch im Dunkeln biologisch aktiv sind. Noch ist der dahinterstehende Mechanismus unbekannt, die Forscher vermuten aber, dass diese Titanoxid-Varianten anders wirken könnten als Titandioxid.

„Ob und wie die Titansuboxid-Nanopartikel für die Lunge toxisch sind, muss nun in kommenden Studien sorgfältig untersucht werden – das jedoch könnte Jahre dauern“, sagt Hochella. „Angesichts der potenziellen Gefahr ist das ein ernüchternder Gedanke.“ (Nature Communications, 2017; doi: 10.1038/s41467-017-00276-2)

(Nature/ Virginia Tech, 09.08.2017 – NPO)