Innovatives neues Material erntet Luftfeuchtigkeit und bringt Wasser in die Wüste

Die weltweite Süßwasserverfügbarkeit ist aufgrund von Übernutzung und Klimawandel stark rückläufig, was in vielen Regionen bereits zu erheblicher Wasserknappheit geführt hat. Hier könnte ein neuartiges Material namens „SHCP-10“ Abhilfe schaffen. SHCP-10, kurz für „Sulfonated Hypercrosslinked Polymer 10“, ist ein hochvernetztes, schwefelhaltiges Polymer, also ein Material, das aus vielen identischen Bausteinen besteht. Laut Paul Schweng und Robert Woodward vom Institut für Materialchemie der Universität Wien lässt sich SHCP-10 kostengünstig herstellen und mit handelsüblichen Reagenzien verarbeiten.

Wasserknappheit eine große Herausforderung

Etwa ein Drittel der globalen Bevölkerung lebt derzeit in Regionen, die stark von Wassermangel betroffen sind, wie beispielsweise Wüstengebiete. Die Weltorganisation für Meteorologie (WMO) prognostiziert, dass dieser Anteil in den kommenden Jahren weiter steigen wird. Daher sind Wissenschaftler auf der Suche nach neuen Methoden zur Trinkwassergewinnung.

Es ist wichtig zu beachten, dass nur drei Promille des gesamten Wasservorrats der Erde Trinkwasser sind. 97 Prozent bestehen aus Salzwasser und ein großer Teil des vorhandenen Süßwassers ist in Gletschern und Grundwasser unzugänglich. Interessanterweise enthält die Erdatmosphäre zu jedem Zeitpunkt sechsmal mehr Wasserdampf als das Volumen aller Flüsse der Welt zusammen, so die Forscher.

Das Forscherteam betont, dass in fast allen Regionen der Welt nahezu unbegrenzt Wasser aus der Luft verfügbar ist. Die Luft könnte daher eine geeignete Wasserquelle sein. Ein weiterer Vorteil ist, dass Wasser aus der Luft im Vergleich zu Grundwasser weniger gereinigt werden muss. Eine entsprechende Studie wurde kürzlich von Woodward, Schweng und ihrem Team im Fachmagazin „Small“ veröffentlicht.

Vier Hauptmethoden für die Gewinnung von Wasser aus der Luft

Wasser aus der Atmosphäre zu ernten, ist nicht neu und es wurden bereits verschiedenste Methoden erforscht. Wie das Wiener Forschungsteam in seiner Studie erläutert, stehen uns heute vier Haupttechniken zur Verfügung, um Wasser aus der Luft zu gewinnen: Nebelkollektoren, Kühlmethoden, membran- und adsorptionsbasierte Systeme.

• Nebelkollektoren funktionieren durch die Kondensation von atmosphärischem Wasserdampf als Tau auf kalten, flachen Oberflächen, ohne dass zusätzliche externe Energie benötigt wird. Trotz ihrer Effektivität erfordern sie eine hohe Luftfeuchtigkeit, was ihre Anwendung in vielen geografischen Gebieten einschränkt.
• Kühlbasierte Systeme erfordern einen hohen externen Energieaufwand, um den in der Luft befindlichen Wasserdampf unter seinen Taupunkt zu kühlen.
• Eine weitere Methode zur Wassergewinnung besteht darin, die Luft wasserselektiven Membranen auszusetzen. Diese Systeme eignen sich besonders für trockene Regionen, da sie Wasser aus Umgebungen mit niedriger relativer Luftfeuchtigkeit (RH) gewinnen können. Ein Nachteil ist jedoch, dass sie ein Vakuum benötigen und oft nur geringe Selektivitäten aufweisen.
• Bei adsorptionsbasierten Verfahren wird der Anstieg der relativen Luftfeuchtigkeit in der Nacht durch niedrigere Temperaturen genutzt. Adsorptionsmittel entziehen der Luft Wasser, das bei Sonneneinstrahlung desorbiert und aufgefangen wird.

Jede dieser Methoden hat ihre eigenen Vor- und Nachteile und eignet sich für unterschiedliche klimatische Bedingungen und geografische Standorte.

So funktioniert die Wassergewinnung mit SHCP-10

Hygroskopische poröse Polymere haben sich aufgrund ihrer großen Oberfläche, den einstellbaren strukturellen Eigenschaften, der hohen Wärmeleitfähigkeit und ihrer ausgezeichneten chemischen, thermischen und mechanischen Stabilität als hervorragende Kandidaten für die atmosphärische Wassergewinnung herauskristallisiert, das bereits erwähnte SHCP-10 ist eines davon.

„Wasser aus der Atmosphäre sammelt sich an der Oberfläche dieses Polymers und kann dann effizient mithilfe von Sonnenlicht geerntet werden“, erklärt Woodward. Unter optimalen Bedingungen kann ein Kilogramm des neuen Materials pro Zyklus bis zu 0,8 Liter Wasser gewinnen, so Schweng.

Selbst unter extremen Bedingungen, wie sie in der Sahara mit weniger als 40 Prozent Luftfeuchtigkeit und Temperaturen über 40 Grad Celsius herrschen, liefert es noch 300 Milliliter Wasser. Die Methode funktioniert sogar bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von nur zehn Prozent und könnte daher „selbst in den rauesten Regionen der Welt“ eingesetzt werden.

Drei Viertel der Wasseraufnahmekapazität werden innerhalb der ersten Stunde erreicht, und das Wasser kann anschließend innerhalb einer weiteren Stunde vollständig vom Material entfernt werden, so Woodward. Daher sind pro Tag mehrere Zyklen von Wasseraufnahme und -abgabe möglich. Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden, die Wasser direkt aus der Luft kondensieren, benötigt dieses Verfahren deutlich weniger Energie.