Neue Werkstoffe 02.09.2019, 07:00 Uhr

Wasser aus der Wüstenluft

In vielen Regionen der Erde wird Wasser zum knappen Gut. Dagegen helfen technische Lösungen: Forschern ist es gelungen, auf Basis poröser Nanomaterialien ein Kondensationssystem zu entwickeln – beispielsweise zum Einsatz in Wüsten.

Patronen mit einer mikroporösen Keramik entziehen Wüstenluft die geringe Restfeuchtigkeit, um Wasser zu gewinnen. 
Foto: Mathieu Prévot, UC Berkeley

Patronen mit einer mikroporösen Keramik entziehen Wüstenluft die geringe Restfeuchtigkeit, um Wasser zu gewinnen.

Foto: Mathieu Prévot, UC Berkeley

Ein Viertel der Weltbevölkerung lebt in Regionen, denen Wassermangel droht, berichten Experten vom World Resource Institute. Insgesamt 17 Staaten gelten der Untersuchung zufolge als stark dürregefährdet. Sie liegen meist im Nahen Osten und in Afrika, speziell in Nordafrika. Tiefe Brunnen zu graben, löst das Problem nur vordergründig. Entnehmen die Bewohner viel Flüssigkeit, sinkt der Grundwasserspiegel.

Wie so oft kommt eine Idee direkt aus der Natur. In trockenen Gegenden Südamerikas wachsen verschiedene Kakteen. Vor Ort regnet es praktisch nie und aus dem Boden lässt sich ebenfalls kein Nass gewinnen. Die angepassten Pflanzen tragen lange, filigrane Dornen und sind stark „behaart“. In der Nacht sowie in den frühen Morgenstunden kondensiert Feuchtigkeit der Luft – und die Pflanzen überleben. Diese Jahrmillionen alte Strategie, Feuchtigkeit aus der Luft einzufangen, haben Ingenieure der University of California in Berkeley jetzt professionalisiert.

Erst kühlen, dann kondensieren   

„Es ist allgemein bekannt, dass man Luft unter den Gefrierpunkt von null Grad Celsius abkühlen müsste, um Wasser zu gewinnen“, erklärt Omar Yaghi. Er ist Professor an der University of California im Bereich Nanowissenschaften. Das liege, so Yaghi, vor allem an der niedrigen relativen Feuchtigkeit von unter 40 %. Technisch sei diese Strategie nicht praktikabel.

Als Chemiker hatte Yaghi eine Idee. Sein Labor experimentiert seit Jahren mit metallorganischen Gerüstverbindungen (metal-organic frameworks, MOFs). Das sind mikroporöse Materialien aus anorganischen Baueinheiten und organischen Stoffen. Sie bilden ein offenes Gerüst mit Poren. In die Hohlräume können sich Gastmoleküle, etwa Wasser, einlagern. Durch Hitze oder durch Unterdruck entweichen diese wieder: ein ideales Konzept, um Wasser einzufangen. Andere Technologien wie die bekannten Luftentfeuchter seien aufgrund des niedrigen Gehalts an Wasser ungeeignet, betont der Forscher.

Die Idee: Wasser in Poren binden

MOFs, mit denen Yaghi seit Mitte der 1990er-Jahre arbeitet, sind so porös, dass ein Gramm die innere Oberfläche eines ganzen Fußballfelds aufweist. Die Forscher entwickelten schon im Jahr 2014 ihr erstes geeignetes Material mit der Bezeichnung MOF-801. Wassermoleküle in der Umgebungsluft haften an dessen innerer Oberfläche: ein Prozess, den man als Adsorption bezeichnet. Im Inneren des MOF steigt die Luftfeuchtigkeit bis zu einem Punkt, an dem Wasser schon bei Raumtemperatur kondensiert. „Es gibt kein anderes Material, das sich eignen würde“, sagt Yaghi. Wird das MOF leicht erwärmt, tritt Wasser aus, das kondensiert und gesammelt werden kann.

Während dreitägiger Feldversuche in der kalifornischen Mojave-Wüste produzierte ihr System zuverlässig 0,7 Liter pro Kilogramm MOF und Tag: fast drei Gläser sauberes, reines Wasser. Das ist zehnmal mehr als bei der Vorgängerversionen. Ihr Automat arbeitet rund um die Uhr mit Solarzellen und einem Akku. Selbst am trockensten Tag bei einer extrem niedrigen relativen Luftfeuchtigkeit von 7 % konnten 0,2 Liter Wasser pro Kilogramm MOF und Tag gewonnen werden. Bis zu diesem Erfolg mussten die Ingenieure allerdings einen weiten Weg zurücklegen.

Erste Studien zur Machbarkeit

Das erste Proof-of-Concept-Gerät mit MOF-801 hatte seine Premiere im Jahr 2017 und war vollständig passiv und solarbetrieben. Es adsorbierte Wasser nachts und setzte es am nächsten Tag in der Hitze der Sonne frei, wobei sich der Wasserdampf auf der Innenfläche eines Containers niederschlug.

Bis 2018 hatte das Berkeley-Team eine zweite Generation entwickelt, das 0,07 Liter Wasser pro Tag und Kilogramm MOF während eines Tag-Nacht-Zyklus sammelt. Und dank der Hitze der kalifornischen Sonne gelangte das flüssige Material wieder aus dem Adsorber. „Obwohl die Wassermenge gering war, zeigte das Experiment, wie Wasser aus der Wüstenluft in den Poren des MOF konzentriert, durch mildes Erhitzen mit Sonnenlicht entfernt und dann bei Umgebungsbedingungen kondensiert werden kann“, erinnert sich Yaghi.

Verbesserung mit Solarzellen und Lüftern

Damit gab er sich nicht zufrieden. Das Modell aus 2019 verwendet Solarzellen, um Ventilatoren zu betreiben, welche die Umgebungsluft durch eine Patrone mit MOFs drücken. Im Inneren befinden sich zwei unterschiedliche Kanalsysteme im Miniaturformat: eines zum Adsorbieren und ein anderes zum Austreiben des Wassers. Der Prozess läuft kontinuierlich. Nachts versorgt ein Akku die Elektronik, tagsüber wird er mit Solarstrom wieder aufgeladen.

Die Produktivität dieses neuen Systems ist zehn Mal so hoch wie die seiner Vorgängerversion und sogar 100-mal höher als die des frühen Proof-of-Concept-Geräts. Das liegt auch an einem neuen Material. MOF-303 enthält Aluminium, während MOF-801 auf Zirkonium basiert. Das innovative Material kann 30 % mehr Wasser aufnehmen als MOF-801 – bei einer Dauer von nur 20 Minuten pro Zyklus. Im Wasser wurden keine Spuren von Metallen oder organischen Stoffen gefunden. Es hat beste Trinkwasserqualität.

Auf dem Weg zum kommerziellen Einsatz

Jetzt geht es an die Kommerzialisierung. Das Startup von Yaghi, Water Harvester Inc., wird in Kürze ein System auf den Markt bringen, das 7 bis 10 Liter Wasser pro Tag liefern kann: genug Trink- und Kochwasser für zwei bis drei Erwachsene pro Tag – gemäß Empfehlungen der National Academy of Sciences. Demnach sollten Männer 3,7 Liter und Frauen 2,7 Liter Flüssigkeit pro Tag zu sich nehmen.

Eine noch größere Version in der Größe eines kleinen Kühlschranks liefert 200 bis 250 Liter Wasser pro Tag. Damit kann ein Haushalt trinken, kochen und duschen. Und in ein paar Jahren hofft das Unternehmen, Geräte für ganze Dörfer mit einer Leistung von 20.000 Liter pro Tag zu entwickeln. Alle würden mit Strom aus Solarzellen oder aus dem Stromnetz betrieben. „Die Atmosphäre hat fast so viel Wasser wie alle Flüsse und Seen“, resümiert Yaghi. „Wir wollen dazu beitragen, trockene Wüsten in Oasen zu verwandeln.“

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