Laufende Projekte

NacoTe

NacoTe: LC-OCD-OND-System

Der Lehrstuhl für Angewandte Geologie am IGW baut momentan ein Labor zur Nanopartikel-Charakterisierung in Prozessen der Öko- und Technosphäre (Characterization of Nanoparticles in the Eco- and Technosphere), kurz NacoTe auf. Durch diese analytische Plattform der Kombination einer Feldflussfraktionierungsanlage (AF4), kombiniert mit einem hochempfindlichen Detektor zur Bestimmung des organischen Kohlenstoffs/Stickstoffs (LC-OCD-OND) sollen die zahlreichen Aktivitäten zu natürlichen und anthropogen eingetragenen Nanopartikeln/(Bio)Kolloiden und die integrative Vernetzung von Bio- und Geowissenschaften am Standort Jena erweitert und die internationale Wettbewerbsfähigkeit gesichert werden. (siehe Abb. 1)

Abb. 1: Natürliche Systeme sind Multipartikelsysteme hinsichtlich der mineralogisch/chemischen Zusammensetzung der Partikel und der Größenverteilung von ca. 200 Da bis in den Bereich von mehreren Mikrometern. Durch chromatographische Methoden wie z.B. die Feldflussfraktionierung (AF4) können diese Mehrpartikelsysteme nach ihrer Größe oder Ladung (durch Anlegen eines elektrischen Feldes) fraktioniert und durch Kopplung mit Detektorsystemen die größenabhängige Elementverteilung (ICP-MS) oder Lichtabsorption im Bereich der sichtbaren und ultravioletten Strahlung quantifiziert werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit durch direkte Kopplung mit einem bereits vorhandenen Nanopartikel-Tracking Analysis System (NTA) direkt die Anzahl-Nanopartikel-Größenverteilung zu messen. Durch die zusätzliche Kopplung mit einem Flüssigchromatografie-System mit Kohlenstoff- und Stickstoff selektivem Detektor (LC-OCD-OND) ist es hier möglich, die membranpassierenden, nanopartikulären Phasen (< 5kDa bzw. < 10kDa) oder die im Fraktogramm der AF4 nicht differenzierbaren natürlichen organischen Substanzen (NOM) spezifischer zu charakterisieren.

Anwendungsbeispiele

Als Beispiel für die versatilen Einsatzmöglichkeiten des LC-OCD-OND Systems sind hier Analysen verschiedenster Grundwässer zu natürlichen und anthropogen eingetragenen Nanopartikeln/(Bio)Kolloiden (kristalline Wässer, Tongesteins-Porenwässer und oberflächennahe Grundwasserleiter) aufgezeigt, die ein Teil des Spektrums der Arbeiten des Lehrstuhls Angewandte Geologie im Bereich der Bio- und Geowissenschaften am Standort Jena aufzeigen. (Abb. 2)
Alte kristalline Wässer (Grimsel/Äspö) zeigen eine Dominanz niedermolekularer organischer Substanzen, während z.B. in Lysimeter-Probe ADI-H2L2-1-71 dominant Biopolymere nachzuweisen sind mit einem Proteingehalt von 45%, was auf eine mikrobiologische Herkunft hinweist.

Abb. 2: LC-OCD-OND Testmessungen an Grundwasserproben aus dem Grimsel-Felslabor (Schweiz), dem Äspö Hard Rock-Laboratory (Schweden), Tongesteins-Porenwasser aus dem Untertagelabor HADES in Belgien und Grundwasser sowie Lysimeterproben aus dem Hainich Critical Zone Exploratory (CZE).

Wir danken dem Thüringer Landesministerium für Wirtschaft, Wissenschaft und Digitale Gesellschaft und dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) für die Förderung des Vorhabens NacoTe durch Finanzierung des Electrical/Flow-FFF- und LC-OCD-OND-Systems am Institut für Geowissenschaften der Friedrich-Schiller-Universität Jena.

 

 

TRANS-LARA

Projekt TRANS-LARA (Transport- und Transferverhalten langlebiger Radionuklide entlang der kausalen Kette Grundwasser-Boden-Oberfläche-Pflanze unter Berücksichtigung langfristiger klimatischer Veränderungen)


Bearbeiter:
Thorsten Schäfer, Dirk Merten, Thomas Lange, Marcus Böhm, Daniel Jara

Beschreibung:
Für Langzeitsicherheitsnachweise potentieller Endlager gehen die gängigen radioökologischen Modelle in Störfallszenarien von einem Radionuklideintrag in die Biosphäre über den Wasserpfad aus. Neben dem Weg über Niederschlag und Bewässerung ist besonders der Eintrag über das oberflächennahe Grundwasser in den Boden interessant. Ziel ist ein tieferes Verständnis der komplexen Mechanismen des Radionuklidtransports aus der Grundwasserzone über den Boden in die Pflanzen unter Einbeziehung klimatischer Veränderungen, das zu einer verbesserten Risikoabschätzungen für die Exposition der Bevölkerung über lange Zeiträume führen soll. Einen wesentlichen Fortschritt bildet hierbei die Aufklärung der Aufnahmemechanismen der Radionuklide in Nutzpflanzen auf molekularer Ebene, ein Konzept, das eine über bisherige Transferfaktoren weit hinausgehende Aussagekraft erlaubt.

Daraus ergeben sich folgende Aufgaben: experimentelle Untersuchungen zur Migration und Akkumulation von Radionukliden im oberflächennahen Boden und deren Transfer in Pflanzen über den Wurzelpfad; Modellierung sowohl des Transportes von Radionukliden aus kontaminierten Grundwässern in die oberen Bodenschichten, wie auch Sorption und Speziation von Radionukliden in unterschiedlichen Böden unter Einbeziehung klimatischer Veränderungen und unterschiedlicher Bewirtschaftungsszenarien; Klärung des weitgehend unverstandenen Transportes von Radionukliden in Nutzpflanzen über den Wurzelpfad auf molekularer Ebene.

Förderung:
Das TRANSLARA Verbundprojekt wird über das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unter dem Förderkennzeichen 02NUK051A-E finanziell unterstützt.

Erweitertes Lysimeter Setup für die Transportexperimente an unterschiedlichen Referenzböden.
(Fotos © Arno Märten 2017)
Zusätzliche Austattung mit einem VisiSens TD System (Fa. PreSens) zur orts- und zeitaufgelösten Messung von pO2, pH und pCO2 in den Lysimetern.
(Foto © PreSens 2017)

USER II

Abb.1: LaserScanning-Aufnahmen (Drohne)
vom Testfeld Gessenwiese (Ronneburg) zur
Ermittlung der Baumhöhe von Birke, Erle,
Weide auf unterschiedlich behandelten Substraten
(rot=hohe Bäume; grün=niedriger Baumbestand);
oben - Baumhöhe + Geländeoberfläche;
Mitte1 - Baumhöhen; Mitte2 – Geländeoberfläche;
unten – Aufsicht (Stand 09/2019)

Umsetzung von Schwermetall-Landfarming zur nachhaltigen Landschaftsgestaltung und Gewinnung erneuerbarer Energien auf radionuklidbelasteten Flächen: Optimierungsstrategien (USER II) 


Projektleiter:
Prof. Dr. E. Kothe, Prof. Dr. T. Schäfer

Bearbeiter:  Dr. D. Mirgorodsky, S. Nettemann, K. Lenk, D. Fürst, S. Pietschmann

Laufzeit:
01.07.2019 bis 30.06.2022 

Beschreibung:

Nach einer ersten Etablierungsphase (USER) wird im Verlauf des Projektes die Möglichkeit einer mikrobiell gestützten Phytostabilisierung zur Erzeugung von Lignozellulose als nachwachsendem Rohstoff auf mit Schwermetallen und Radionukliden (SM/R) belastetem Substrat aus einem ehemaligen Uranbergbau etabliert. Neben U werden insbesondere Cs und Sr sowie Th und Lanthanoide als natürliche Analoga für dreiwertige Actiniden untersucht. Damit können auf vier etablierten Testflächen die Untersuchungen zur Nutzung verschiedener Baumarten mit einer Unterpflanzung in naturnahen mehrstöckigen Beständen auf vier Testfeldern in der ehemaligen Uranbergbauregion nahe Ronneburg in Ost-Thüringen genutzt werden. 

Auf der ehemaligen Laugungshalde Gessen (Testfeld Gessenwiese) wird die Nachhaltigkeit des Auftrags von 5 oder 20 % Rendzina (kalkhaltiger Oberboden) charakterisiert. Auf dem Testgelände Kanigsberg "Bareground" liegt ein stark belastetes Substrat vor, das besonders durch Ektomycorrhizapilze profitierte; die Speziation in diesen Wässern und speziell die Assoziation mit kolloidalen/nanopartikulären Phasen und deren Austrag bei Erosionsvorgängen sowie die Wechselwirkung mit Wurzelhorizonten und Mikroorganismen ist hier ein Untersuchungsfokus. Die Testflächen Kanigsberg erlauben die Betrachtung des Einflusses der Erosion unter Weiterentwicklung automatisierter Erfassungssysteme (LIDAR) sowie der Etablierung einer Unterpflanzung, die durch die Inokulation und erhöhte Biodiversität (Mikrobiomanalysen) profitiert und so auch das Baumwachstum beeinflusst. Die Quantifizierung der Erträge und des SM/R-Transfers in die Pflanze erlaubt die Einordnung der angewandten Strategien zur Aufforstung mit Kurzumtriebsplantagen. 

Das Ziel der Arbeiten ist damit, nach der Phase der Etablierung der Testfelder die räumliche Entwicklung der Biodiversität unter dem Einfluss der heterogenen Kontamination, die ebenfalls einer Änderung im Transportpfad mit dem Wasser unterliegt, auf die zeitliche Entwicklung einer nachhaltig gesicherten Bodenbehandlung hin weiter zu entwickeln und so zur Etablierung einer nachhaltigen Landschaftsgestaltung unter Berücksichtigung ökonomischer Aspekte beizutragen. Dabei behält die Modulation der Bioverfügbarkeit von Radionukliden zur Stabilisierung ebenso wie optimierte, kombinierte mikrobiologische Inokulation und Bepflanzungsstrategie zur Minimierung des Eintrags von SM/R auch für den Eintrag über das Sickerwasser in das Grundwasser eine hohe Relevanz.

 

Förderkennzeichen:
Das USER-Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 15S9417 finanziell unterstützt.

 
 

CONCERT

Projekt CONCERT (Skalenübergreifender Komponentenansatz zur Vorhersage der rheologischen Eigenschaften von Zementleim auf Basis mineralischer und partikelbasierter Heterogenität)


Bearbeiter:

Thorsten Schäfer, Frank Heberling, Johannes Lützenkirchen (both KIT-INE) & Teba Gil Diaz

Beschreibung:
Das Verbund- Projekt "Komponentenadditiv-Ansatz zur Vorhersage der Zementpasten-Rheologie unter Berücksichtigung von Mineral- und Partikelheterogenität auf verschiedenen Maßstäben; CONCERT" im SPP 2005 "Opus Fluidum Futurum" ist ein gemeinsamer Antrag der Bauhaus-Universität Weimar (Prof. Dr.-Ing. Horst-Michael Ludwig), des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT; Dr.-Ing. Michael Haist) und der Friedrich-Schiller-Universität Jena (Prof. Dr. habil. Thorsten Schäfer). Eine enge Zusammenarbeit mit CONCERT und dem multi- und interdisziplinären SPP 2005 Konsortium mit Forschern aus Physik, Chemie, Materialwissenschaften, Bauingenieurwesen und Bergbau bietet einzigartige Voraussetzungen, um die Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung in Anwendungen zu übertragen.

Die Oberflächenkomplexierungsmodelle (SCoMs) für die verschiedenen Mineralphasen in zementhaltigen Systemen und deren Kombination werden auf der Grundlage von Adsorptionsstudien (einschließlich Fließmittel, SPs), Zetapotential- und AFM-Kraft-Abstands-Messungen ermittelt. Das rheologische Verhalten entsprechender kolloidaler Suspensionen wird untersucht und dient der Kalibrierung der Verknüpfung zwischen SCoMs / DLVO-Theorie und rheologischer Modellierung. Die Stabilität von Organo-Mineral-Phasen, die einer Scherung unterzogen werden, wird unter Verwendung von Radiotracer-Markierung von SPs sowie von Sulfat-Trägern untersucht. Die Modellbeschreibung beinhaltet ein Komponenten- additives Modell, mit dem das mechanische Wechselwirkungsverhalten in Abhängigkeit von Partikelzusammensetzung, Granulometrie, Zusammensetzung der Trägerflüssigkeit, Temperatur und Hydratationsfortschritt (Oberflächenrauigkeit) quantifiziert werden kann. Innerhalb des CONCERT-Konsortiums soll dieses Modell als Grundlage für die probabilistische Formulierung des Eigenstress-Zustands in einem homogenisierten rheologischen Modellaufbau verwendet werden, der die Summe aller Partikelwechselwirkungen beschreibt.

Förderung:
Finanziert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des SPP 2005.

Abbildung 1: a) Normierte Kraft-Abstandskurven bei Annäherung der Silica Kolloid-Probe und der Klinkeroberfläche, b) entsprechende Kurven beim Zurückziehen der Silica Kolloid-Probe von der Oberfläche, c) REM-Aufnahme eines mit einem Zementpartikel modifizierten AFM-Cantilevers. Der geschätzte Kontaktbereich ist rot hervorgehoben.

KOLLORADO-e3

KOLLORADO-e3 (In-situ Experimente zur Bentonit Langzeit-Stabilität und der Radionuklidmobilität an der Grenzfläche Bentonit – Kristallin)

 

Bearbeiter: Thorsten Schäfer, Janis Pingel

Das übergeordnete Ziel des Vorhabens ist es, das mechanistische Verständnis der Prozesse weiter zu vertiefen, die unter naturnahen, endlagerrelevanten Bedingungen in geklüfteten Granitsystemen die Integrität der Bentonitbarriere beeinträchtigen und zu einem kolloidgetragenen Radionuklidtransport führen können. Dies umfasst die grundlegenden Mechanismen der Bentoniterosion und Kolloidbildung am Übergang des Bentonit- Versatzes/Puffers zum Kristallingestein, die Radionuklidspeziation, insbesondere die Wechselwirkungen zwischen Radionukliden und Kolloiden sowie die Wechselwirkungen von Kolloiden mit den Gesteinsoberflächen unter besonderer Berücksichtigung von Kinetiken. Die geplanten Arbeiten bauen auf den im Vorgängervorhaben Kollorado-e2 erzielten Erkenntnissen auf. Kollorado-e3 ist eng verbunden mit dem Felslabor Grimsel (GTS, Schweiz) Phase VI Projekt CFM (Colloid Formation and Migration; siehe https://www.grimsel.com/gts-phase-vi/cfm-section/cfm-introduction), welches momentan aus zwei Experimenten besteht, (a) dem LIT-Experiment (Long-term In situ Test) und dem I-BET Experiment (In Rock Bentonite Erosion Test).  

Experimentelle Untersuchungen beinhalten u.a. spektroskopische, mikroskopische und computergestützte Methoden, sowohl im Labor als auch im Untertage-Felslabor in Grimsel (Schweiz) unter Verwendung von Beschleuniger-Massenspektrometrie zur Bestimmung von Langzeit-Kinetiken in diesen Systemen. Unter dem Eine Übertragbarkeit der Labordaten auf natürliche Systeme soll dann gewährlistet werden, um diese in die Langzeit-Sicherheitsanalyse der GRS (Codes: CLAYPOS, CORFRAME und d³f++) einfließen zu lassen. Diese Codes können dann mit den von der FSU Jena und dem KIT-INE verwendeten reaktiven Transportmodellen verknüpft werden, um eine verbessertes Prozessverständnis der Feldexperimente im Untertagelabor Grimsel zu gewährleisten.

 

Förderung:

Das KOLLORADO-e3 Projekt ist ein Verbundprojekt zwischen der FSU Jena, dem KIT-INE sowie der GRS und wird durch das BMWi unter dem Förderkennzeichen 02E11759A finanziert. FSU Jena ist Koordinator dieses Verbundvorhabens.

 

Abb. 1: Bilder des überbohrtes LIT-Experiment: (links) Segmentierte Kluftgeometrie zur Abschätzung der Ausdehnung der Bentonit-Gelschicht in der Scherzone (erstellt von Dr. Hinz, Math2Market mittels Volume Rendering in GeoDict), (rechts) überbohrte Grimsel Granodiorit Matrix (ca. 6m) bis zur Kontaktzone der Scherzone.

BEACON

Projekt BEACON (Mechanische Entwicklung des kompaktierten Bentonits)


Bearbeiter:

Thorsten Schäfer & Franz Rinderknecht (KIT-INE)

Beschreibung:
Das Hauptziel des Projektes ist es, die Werkzeuge zu entwickeln und zu testen, die für die Beurteilung der mechanischen Entwicklung einer installierten Bentonit- Barriere und der daraus resultierenden Leistungsfähigkeit der Barriere notwendig sind. Dies wird durch die Zusammenarbeit zwischen Design und Engineering, Wissenschaft und Leistungsbewertung erreicht. Die Entwicklung von einem installierten technischen System zu einer voll funktionsfähigen Barriere wird bewertet. Dies erfordert ein detaillierteres Verständnis der Materialeigenschaften, der grundlegenden Prozesse, die zu einer Homogenisierung durch Wassersättigung führen, der Rolle von Skaleneffekten und verbesserten Werkzeugen für die numerische Modellierung. Das Ziel ist es, die Leistung der aktuellen Designs für Puffer, Verfüllungen, Dichtungen und Verschluss zu überprüfen. Bei einigen Endlagerkonstruktionen, hauptsächlich im kristallinen Wirtsgestein, können die Ergebnisse auch für die Bewertung der Folgen des Massenverlusts einer Bentonit- Barriere in langfristiger Perspektive verwendet werden.

Förderung:
Das BEACON-Projekt wird im Rahmen des Euratom-Forschungs- und Ausbildungsprogramms 2014-2018 Vereinbarung Nr. 745 942 finanziert.

Abbildung 1: Schematische Abbildung des über 1100 Tage laufenden CFM LIT (Long-Term In Situ) Tests mit unterschiedlichen Quelldrücken im oberen (1400-1850 kPa) und unteren Bereich (850-950 kPa) des Packers und einer spontanen Druckentlastung (Homogenisierung?) von ca. 300 kPa nach ca. 500 Tagen im oberen Bereich. (Fotos © CFM Konsortium 2017).

FluviMag: Fluviatiler Transport von Magneto-Mineralen

Bearbeiter:
Michael Pirrung

Beschreibung:
Der gesteinsphysikalische Parameter magnetische Suszeptibilität wird an Liefergesteinen und rezenten Sedimenten von Fließgewässern untersucht, um die Dynamik des Materialtransports besser zu verstehen und – möglichst in Kombination mit geochemischen Daten - Hinweise auf anthropogene Einträge wie z.B. aus Halden des Altbergbaus zu gewinnen. 

Die Artikel können hier heruntergeladen werden.

Korngrößenabhängigkeit der magnetischen Suszeptibilität und des Fe-Gehaltes, abhängig von Liefergestein und Transportweite, in rezenten Sedimenten der Thüringer Saale bei Jena; nach Daten des Forschungspraktikums von D. Beyer, 2008, und der B.Sc. Arbeit von S. Möller, 2009.

Forschungsprojekt Saale Clarke: Geogene Hintergrundwerte im Einzugsgebiet der Thüringer Saale

Bearbeiter:
Michael Pirrung

Beschreibung:
Für die Bewertung geochemischer Anomalien sind regionale geogene Hintergrundwerte notwendig. Diese wurden aus einer umfangreichen Literaturrecherche und neuen geochemischen Analysen der Liefergesteine abgeschätzt. Die Hintergrundwerte können mit Elementgehalten von rezenten fluviatilen Sedimenten des Einzugsgebietes verglichen werden, um anthropogene Einflüsse aufzuzeigen. Die Liefergesteinsgeochemie zeigt auch Umweltveränderungen während der Sedimentablagerung an. 

Ausgewählte Elementverhältnisse (2700 Analysen) charakterisieren das Ablagerungsmilieu innerhalb der zentralen und östlichen Thüringer Mulde und in angrenzenden Mittelgebirgen.

Anthropogene und geogene Feinstaubquellen in urbanen Räumen Mitteldeutschlands

Bearbeiter:
Neele van Laaten, Dirk Merten, Michael Pirrung

Beschreibung:
Mit Hilfe von Spinnweben, Moossäckchen (sog. Moss Bags) und einfachen Passivsammlern wird Feinstaub im mitteldeutschen Raum (mit Fokus auf die Stadt Jena) beprobt. Dabei werden sowohl in Stadtzentren, als auch in Vorstadtgebieten und im ländlichen Bereich Proben genommen. Die Proben werden geochemisch analysiert und die Ergebnisse multivariat statistisch ausgewertet um z.B. herauszufinden, in welchem Maß spezifische Quellen die chemische Zusammensetzung des Staubes beeinflussen.

Förderung:
Projekt der International Max Planck Research School for Global biogeochemical Cycles (IMPRS-gBGC), gemeinsam finanziert von der Friedrich Schiller Universität and dem Max Planck Institut für Biogeochemie

Auf der Leiter mit Moss Bag
Einsammeln von Spinnweben an der Brücke am Arbeitsamt