Serpentinisatie: hoe steen en water samen waterstof en warmte maken
Diep onder de oceaanbodem gebeurt iets wat op het eerste gezicht saai klinkt maar verstrekkende gevolgen heeft: gesteente reageert met water. Dat proces heet serpentinisatie, genoemd naar het mineraal serpentijn dat erbij ontstaat en dat qua kleur en glans op een slangenhuid lijkt. Bij die reactie komen twee dingen vrij die opvallend interessant zijn: warmte en waterstofgas (H2). Vergelijk het met roesten, maar dan onder extreme druk, zonder zuurstof nodig te hebben, en met een bijproduct dat als brandstof kan dienen.
Serpentinisatie is geen exotisch laboratoriumtrucje, maar een natuurlijk proces dat al miljarden jaren plaatsvindt waar mantelgesteente in aanraking komt met zeewater, bijvoorbeeld bij midoceanische ruggen waar de aardkorst uit elkaar schuift. Wetenschappers zijn er de laatste decennia steeds meer van overtuigd geraakt dat dit proces een sleutelrol kan hebben gespeeld bij het ontstaan van leven op aarde, en het staat nu ook in de belangstelling van bedrijven die op zoek zijn naar schone waterstof of naar manieren om CO2 permanent op te bergen in steen.
Wat is het precies?
De basisingrediënten zijn simpel: water en een gesteente type dat ultramafisch heet, wat betekent dat het rijk is aan magnesium en ijzer en arm aan silicium. Het bekendste mineraal daarin is olivijn, dat normaal diep in de aardmantel zit maar op sommige plekken aan het oppervlak of de zeebodem ligt, bijvoorbeeld waar oceaankorst wordt gevormd.
Wanneer water via scheuren en breuken in dit gesteente doordringt, reageert het olivijn chemisch met dat water. Het ijzer in het mineraal geeft elektronen af aan het water, waardoor er waterstofgas ontstaat. Tegelijk verandert het olivijn zelf in nieuwe mineralen: serpentijn, en vaak ook magnetiet, een ijzeroxide dat je bijvoorbeeld ook in roest tegenkomt.
De reactie is exotherm, ze levert dus warmte op, soms genoeg om het omringende gesteente en grondwater tientallen tot honderden graden op te warmen zonder dat er vulkanische activiteit aan te pas komt. Het resulterende water wordt bovendien sterk alkalisch, met een pH die kan oplopen tot 11, vergelijkbaar met ammoniak. Die combinatie van waterstof, warmte en een scherpe chemische gradiënt met de omgeving is precies wat onderzoekers zo boeiend vinden.
Wat wil men ermee bereiken?
Onderzoekers naar de oorsprong van het leven zien in serpentinisatie een mogelijke motor voor de allereerste stofwisseling. De alkalische-hydrothermale-bronnentheorie, onder meer uitgewerkt door geochemicus Michael Russell en later door biochemici Nick Lane en William Martin, stelt dat de natuurlijke pH-gradiënt bij zulke bronnen energie kon leveren aan primitieve cellen, nog voordat er iets als fotosynthese bestond. Het blijft een hypothese, geen bewezen feit, maar het is een van de meest onderzochte scenario's in de astrobiologie.
Daarnaast is er groeiende praktische interesse. De waterstof die van nature vrijkomt bij serpentinisatie wordt gezien als een mogelijke bron van zogeheten natuurlijke of geologische waterstof, ook wel wit of goud waterstof genoemd, die zonder elektrolyse of aardgas gewonnen zou kunnen worden. Ook wordt onderzocht of je het proces bewust kunt versnellen om CO2 permanent vast te leggen: het gas reageert met dezelfde soort gesteenten tot stabiele carbonaatmineralen, in feite kunstmatige verwering die duizenden jaren normaal duurt tot enkele jaren terugbrengt.
Tot slot speelt serpentinisatie een rol in het zoeken naar leven elders in het zonnestelsel. Op ijsmanen met een verborgen oceaan, zoals Saturnusmaan Enceladus, zou hetzelfde proces op de zeebodem energie kunnen leveren aan eventuele micro-organismen.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Lost City Hydrothermal Field, ontdekt in 2000 op de Atlantis Massif in de Atlantische Oceaan, is het bekendste natuurlijke voorbeeld. Hier staan tot zestig meter hoge schoorstenen van carbonaat- en broesietmineraal, gevoed door serpentinisatie in plaats van vulkanisme, met water van 40 tot 90 graden Celsius. Het systeem draait vermoedelijk al meer dan honderdduizend jaar.
In Bourakebougou, Mali, werd in 1987 bij toeval een waterputboring gevonden die bijna zuiver waterstofgas produceerde. Pas vanaf 2012 begon het bedrijf Hydroma, opgericht door Aliou Diallo, dit serieus te exploiteren; het dorp wordt inmiddels deels van elektriciteit voorzien met een generator op deze natuurlijke waterstof.
In IJsland injecteert het project CarbFix, sinds 2012 operationeel bij de geothermische centrale Hellisheiði, CO2 opgelost in water in basaltgesteente. Onderzoek toonde tot ieders verrassing aan dat het grootste deel binnen ongeveer twee jaar mineraliseert tot vaste carbonaten, veel sneller dan verwacht.
In Oman boorde het internationale Oman Drilling Project in 2017 kernmonsters uit de Samail-ofioliet, het grootste blootliggende stuk oceaankorst en mantelgesteente ter wereld, om serpentinisatie en natuurlijke CO2-opname in detail te bestuderen. Het Omaanse bedrijf 44.01 probeert dit proces inmiddels versneld commercieel toe te passen voor CO2-opslag.
Ten slotte leverde de ruimtesonde Cassini tijdens vluchten door de ijspluimen van Enceladus in 2015 metingen op die in 2017 werden gepubliceerd en die wijzen op waterstofgas, mogelijk afkomstig van serpentinisatie op de zeebodem van de verborgen oceaan van de maan.
Hoe ver is de techniek?
Als natuurlijk geologisch proces is serpentinisatie relatief goed begrepen sinds decennia van diepzee-onderzoek. Het toepassen ervan is een ander verhaal en bevindt zich in verschillende stadia.
CO2-opslag via versnelde mineralisatie, zoals bij CarbFix, is het verst ontwikkeld en draait inmiddels op operationele schaal in IJsland, met uitbreidingsplannen zoals de Coda Terminal om CO2 uit het buitenland te importeren en op te slaan.
De winning van natuurlijke waterstof staat nog in een vroeg, verkennend stadium. Er zijn wereldwijd wel geologische aanwijzingen voor grote hoeveelheden ondergrondse waterstof, maar schattingen van hoeveel daarvan daadwerkelijk winbaar is, lopen sterk uiteen en zijn met veel onzekerheid omgeven. De belangrijkste obstakels zijn dat reservoirs moeilijk te lokaliseren zijn, dat niemand precies weet hoe snel gas aangevuld wordt, en dat er nog nauwelijks bewezen boor- en winningstechniek voor bestaat.
Onderzoek naar de rol van serpentinisatie bij het ontstaan van leven blijft vooral theoretisch en experimenteel, in laboratoria waar onderzoekers proberen de omstandigheden bij bronnen zoals Lost City na te bootsen. Een sluitend bewijs dat leven daadwerkelijk zo is ontstaan, is er niet en zal ook lastig te leveren zijn.
Wie werken eraan?
Op het gebied van natuurlijke waterstof zijn bedrijven als Hydroma in Mali, Koloma in de Verenigde Staten (gesteund door onder meer Breakthrough Energy Ventures) en Natural Hydrogen Energy actief. Frankrijk is opvallend voortvarend met het uitgeven van exploratievergunningen, mede dankzij onderzoek van het CNRS en de Universiteit van Lorraine, die geldt als een internationaal kenniscentrum op dit gebied.
Voor CO2-mineralisatie is Carbfix in IJsland, verbonden aan energiebedrijf ON Power/Reykjavik Energy, de belangrijkste speler, samen met het Omaanse 44.01. Wetenschappelijk fundamenteel onderzoek naar serpentinisatie zelf komt sterk van oceanografische instituten zoals de Woods Hole Oceanographic Institution en het Lamont-Doherty Earth Observatory van Columbia University, beide in de Verenigde Staten.
De Amerikaanse geologische dienst USGS publiceert schattingen over het potentieel van geologische waterstof, en NASA en het Jet Propulsion Laboratory bestuderen serpentinisatie als mogelijke energiebron voor leven op ijsmanen zoals Enceladus en Europa. Ook Oman speelt via internationale onderzoeksconsortia een rol dankzij zijn unieke, goed toegankelijke ofiolietgesteente.