Zwei Drittel der Weltbevölkerung leiden unter Wasserknappheit, obwohl unser Planet zum größten Teil mit Wasser bedeckt ist. Das Problem: Meerwasser ist salzig, und die Entsalzung teuer, energiehungrig und aufgrund der anfallenden Salzlake umweltschädlich.
Forscher der University of Rochester um den Optik-Experten Chunlei Guo haben nun eine Aluminiumfolie entwickelt, die Meerwasser alleine mit Sonnenlicht entsalzt und dabei nahezu alle gelösten Salze aus dem Wasser holt, darunter Spuren wertvoller Elemente – und das alles ohne schädliches Abwasser. Wie funktioniert das?
Inhaltsverzeichnis
Der Haken an der Entsalzung
Herkömmliche Entsalzungsanlagen arbeiten meist mit Umkehrosmose oder thermischer Destillation – beides ist energieintensiv. Laut der im Fachjournal Light: Science & Applications veröffentlichten Studie entstehen pro m³ aufbereitetem Meerwasser zwischen 0,6 und 6,7 kg CO₂.
Zudem gewinnen die Verfahren nur einen Teil des Meerwassers als Trinkwasser zurück. Bei der Umkehrosmose sind es nach Angaben der Studienautoren rund 42 %, bei der thermischen Destillation sogar nur 22 %. Der große Rest – 58 bis 78 % – verlässt die Anlage als hochkonzentrierte Salzlake. Diese Sole wird dann häufig zurück ins Meer geleitet. Dort erhöht sie lokal den Salzgehalt stark, was wiederum den Sauerstoffgehalt des Wassers senkt und im Meer lebende Pflanzen, Fische und Mikroorganismen schädigt.
Das bisherige Problem thermischer Verfahren
Solar-thermische Entsalzungsverfahren gelten als die umweltfreundliche Alternative: Sonnenlicht verdunstet dabei das Meerwasser an einer dunklen Oberfläche, der Dampf wird aufgefangen und kondensiert zu Süßwasser – ganz ohne Pumpen und Netzstrom. Allerdings wurden viele dieser Systeme mit künstlichem Meerwasser getestet, also reinem Kochsalz (Natriumchlorid). Das kristallisiert in lockeren, porösen Würfeln, durch die nachströmendes Wasser die Kristalle wegspülen kann – die Oberfläche bleibt sauber.
Echtes Meerwasser enthält darüber hinaus aber Magnesium- und Calciumverbindungen, die eine harte Kruste bilden, vergleichbar mit dem Kalk im Wasserkocher. Diese Kruste verstopft die feinen Kapillaren der Entsalzungsanlage, was diese in kurzer Zeit lahmlegt.
Foto: „WATER, TRANSFORMED“ von Chunlei Guo et al., via EurekAlert, lizenziert unter CC BY 4.0.
Wie die Selbstreinigung funktioniert
Das Team um Guo löst das mit einer rund 200 Mikrometer dünnen Aluminiumfolie, deren Oberfläche ein Femtosekunden-Laser mit feinen Rillen und Graten überzieht. Dieses stark saugende, schwarze Metall („superwicking black metal“, SWBM) zieht einen dünnen Wasserfilm gegen die Schwerkraft über die Oberfläche nach oben und absorbiert fast das gesamte Sonnenlicht. In der lasergeätzten, aktiven Zone verdunstet das Wasser; die zurückbleibenden Salze werden an den unbehandelten Rand – die passive Zone – geschoben, wo sie auskristallisieren und sich einfach absammeln lassen.
Dahinter stecken zwei physikalische Effekte:
- Der Kaffeering-Effekt: So wie ein eingetrockneter Kaffeetropfen seine Partikel als Ring am Rand zurücklässt, trägt die Verdunstung das Salz an den Rand der aktiven Zone.
- Das „Salzkriechen“, ein selbstverstärkender Prozess, bei dem neue Salzkristalle immer weiter nach außen wachsen. Damit das auch bei der zähen Kruste klappt, die durch den Kontakt mit Meerwasser entsteht, müssen die Laserrillen tief und breit genug sein. Die Studie nennt mindestens 110 Mikrometer Tiefe und 50 Mikrometer Breite.
Im Test lief die Folie nach Angaben der Forschenden eine Woche lang durchgehend, wobei sie rund 74 % der Sonnenenergie in Wasserdampf umwandelte und Wasser aus Pazifik, Atlantik und dem Indischen Ozean nutzte. Das dabei erzeugte Trinkwasser habe die Standards von WHO und der US-Umweltbehörde EPA erfüllt, heißt es in der peer-reviewten Studie.
Gold und Uran im Meerwasser?
Weil die Folie nahezu alle gelösten Salze auffängt, fällt nicht nur gewöhnliches Meersalz an.
- Den größten Teil macht Natrium aus (rund 40 %).
- Dazu kommen Magnesium, Kalium und Calcium.
- Außerdem fanden die Forscher nach eigenen Angaben wertvolle Spuren von Gold, Cäsium, Brom und Uran.
Dass die Ozeane um ein Vielfaches mehr wertvolle Mineralien enthalten als das Festland, ist schon lange bekannt. Das Problem ist, dass sie nur in Form winziger Spuren im Salz stecken; teils im Bereich von Hundertstel-Prozent und darunter.
Der von den Forschern gesammelte Salzmix ist genau das: ein Gemisch. Ihn in die einzelnen, nutzbaren Stoffe aufzutrennen, ist ein bislang ungelöstes Problem – die Autoren räumen selbst ein, dass ihre vom Meerwasser abgetrennte Salzmischung ohne weitere Aufbereitung nur begrenzt verwendbar ist.
Lithium: der Sonderfall
Eine Ausnahme bildet Lithium, das Schlüssel-Metall für Batterien in E-Autos und Stromspeichern, bei dem Europa stark von wenigen Förderländern abhängt. Anders als die übrigen Salze lässt es sich nicht einfach aus dem auskristallisierten Gemisch heraussammeln. Deshalb beschichteten die Forschenden in einem Zusatzversuch die aktive Zone der Folie mit Nanopartikeln aus Metatitansäure. Diese fangen gezielt Lithium-Ionen ein, während die anderen Salze in die passive Zone wandern.
Wie viel Lithium sich damit aus Meerwasser holen lässt, beziffert die Studie aber nicht. Eine konkrete Ausbeute – rund 50 % – nennt die Gruppe nur in einer separaten Arbeit im Journal of Materials Chemistry A, und zwar mit Wasser aus dem Großen Salzsee in Utah, nicht aus dem Ozean.
Wie ausgereift ist das Verfahren?
Getestet wurde die Folie bislang nur im Labor und in einem Außenversuch mit einer nur rund 9 cm² großen Folie. Hochgerechnet lieferte diese pro Quadratmeter und Tag etwa 10 l Trinkwasser und 0,38 kg Meersalz. Das wäre für einzelne Haushalte oder abgelegene Orte schon durchaus nützlich, aber weit entfernt von den Mengen, die eine kommunale Wasserversorgung braucht.
Ob sich die lasergeätzte Folie auf große Flächen und Stückzahlen übertragen lässt, ist noch offen. Die Forschenden halten ihr Verfahren für grundsätzlich skalierbar, weil die Laserbearbeitung in einem einzigen Schritt erfolgt. Das muss aber erst noch bewiesen werden. Noch muss sich die Menschheit also etwas gedulden, bis sie Trinkwasser und kritische Rohstoffe in nennenswerten Mengen aus dem Meer gewinnen kann, dessen Pegel im Zuge des Klimawandels steigen wird. Aber die Forscher aus Rochester haben gezeigt, dass diese Vision keine Science Fiction bleiben muss.
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