Trinkwasser aus der Luft: Wie ein Kristall die Wüste bewässern soll
Ein Kristall öffnet sich unter UV-Licht und saugt Wasser aus der Luft. Wie das funktioniert – und welches Potenzial es hat.
Konzeptbild zur Iowa-Forschung: Das metallorganische Gerüst (Mitte) öffnet sich unter UV-Licht und fängt Wassermoleküle aus trockener Luft ein.
Foto: Nevindee Samararathne and Leonard MacGillivray group at University of Iowa/Universite de Sherbrooke, Canada, Tamador Alkhidir and Sharmarke Mohamed group at Khalifa University of Science and Technology, Abu Dhabi, United Arab Emirates)
Unter einer UV-Lampe in einem Labor der University of Iowa liegt ein winziger Kristall. Seine Gitterstruktur ist zunächst dicht; keine Hohlräume, kein Platz für Wasser. Doch sobald das Licht angeht, geschieht etwas Eigenartiges: Die Atome im Inneren ordnen sich neu, es entstehen kleine Löcher. Und in die strömen Wassermoleküle aus der Luft.
Hinter der ‚atmosphärischen Wassergewinnung‘ steckt ein ‚metallorganisches Gerüst‘ (Metal Organic Framework, MOF). Die Forscher um Leonard MacGillivray haben die Ergebnisse kürzlich im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht. Dabei liegen sie im Trend: Erst im Oktober ging der Nobelpreis für Chemie an diese Materialklasse.
Inhaltsverzeichnis
Wenn Wasser knapp wird
Rund 2,2 Mrd. Menschen weltweit haben laut UN keinen verlässlichen Zugang zu sauberem Trinkwasser. Die Knappheit, die lange als Problem ferner Länder galt, hat in den vergangenen Jahren auch Mitteleuropa erreicht. Die Dürrejahre 2018, 2019, 2020 und 2022 hinterließen in Deutschland (mindestens) zwei Erkenntnisse:
- Wassermangel ist auch hierzulande ein wirtschaftliches Risiko: Sinkende Rheinpegel zwangen Kraftwerke zum Drosseln; Chemiestandorten drohten Produktionsstopps.
- Die Reserven in Boden und Grundwasser schwinden schneller, als sie sich auffüllen lassen.
Die Antwort der Wasserwirtschaft heißt Entsalzung und Aufbereitung. Beides ist jedoch relativ energieintensiv: Eine moderne Meerwasserentsalzungsanlage benötigt zwischen 3 und 4 kWh pro m³ Trinkwasser. Atmosphärische Wasserextraktion könnte daher auch in Deutschland attraktiv sein: Wasser ließe sich so einfach aus der Luft holen, idealerweise angetrieben mit Sonnenenergie.
Wie MOFs funktionieren
Metallorganische Gerüste sind ein Kompositmaterial aus Metallionen und organischen Verbindungsmolekülen. Sie bilden poröse Kristallstrukturen mit einer großen inneren Oberfläche: ein einzelnes Gramm MOF kann eine Innenoberfläche haben, die so groß ist wie ein Fußballfeld. Diese Hohlräume können bestimmte Moleküle gezielt einfangen, je nachdem, wie sie chemisch konstruiert sind: Kohlendioxid für Klimaschutz, Wasserstoff für Energiespeicher, Wasser für die Trinkwassergewinnung. Die deutsche BASF produziert übrigens seit Jahren MOFs in größeren Mengen. Diese dienen vorrangig der CO₂-Abscheidung, das Verfahren wäre aber auch auf Wasser-MOFs übertragbar.
Das Potenzial der Materialien unterstrich die Königlich-Schwedische Akademie der Wissenschaften im vergangenen Jahr, als sie den Chemie-Nobelpreis an die drei Vordenker des Konzepts verlieh, Omar Yaghi (University of California, Berkeley), Susumu Kitagawa (Universität Kyoto) und Richard Robson (University of Melbourne). Das Nobelkomitee nannte in seiner Würdigung bereits die Wassergewinnung aus Wüstenluft als eine der aussichtsreichsten Anwendungen. Die Forschung aus Iowa baut auf dem MOF von Yaghi, Kitagawa und Robson auf.
Yaghis Arbeitsgruppe hatte die atmosphärische Wassergewinnung bereits getestet. Sie konnten zeigen, dass MOF-303 und seine Derivate unter günstigen Bedingungen ein Vielfaches ihres Eigengewichts an Wasser aufnehmen. Aus den Forschungsergebnissen ist das Spin-off Atoco hervorgegangen, das Wasserextraktoren für trockene Regionen entwickelt.
Was die Iowa-Gruppe anders macht
Die meisten MOFs sind dauerhaft porös. Sie nehmen also Wasser auf, wann immer Feuchtigkeit verfügbar ist. Später müssen sie aktiv „getrocknet“ werden, um es wieder abzugeben. Das Material aus Iowa funktioniert etwas anders.
- Im Ausgangszustand ist sein Kristallgitter komplett dicht.
- Erst wenn UV-Licht darauf fällt, ordnen sich bestimmte organische Bausteine – sogenannte Linker – innerhalb der Struktur um.
- Dabei entstehen kleine Hohlräume, die Wassermoleküle aufnehmen können.
„Den Kristall kann man transportieren und das Wasser bei Bedarf wieder freisetzen. Darin liegt der eigentliche Fortschritt“, so Studienleiter Leonard MacGillivray, Adjunct Professor am Department of Chemistry der University of Iowa.
Das Forscherteam aus den USA, Italien, Kanada und den Vereinigten Arabischen Emiraten hat die Beobachtung mit Röntgenbeugung dokumentiert: Nach der Bestrahlung ließen sich Wassermoleküle demnach in den neu entstandenen Hohlräumen nachweisen. Veröffentlicht wurde die Studie unter dem Titel „Photo Capture of Water by Single Crystals of a Nonporous Metal–Organic Material“ im Journal of the American Chemical Society.
Wo das Versprechen brüchig wird
Allerdings belegt die Iowa-Studie noch kein einsatzfähiges System. Es gibt vor allem drei Haken:
- Die Wasserausbeute. Unter Laborbedingungen nimmt das Material rund 5 % seines Eigengewichts an Wasser auf. Im Vergleich zum Potenzial der weiterentwickelten MOFs von Yaghi ist das wenig. Die Forschenden sehen ihren Wert allerdings als Startwert, nicht als Obergrenze. „Der nächste Schritt ist, die Grenzen der Wasseraufnahme in Massenprozent zu bestimmen und so weit wie möglich zu verschieben“, erklärt Doktorandin Nevindee Samararathne Muhandiramge.
- Das Material. Als Modellsubstanz nutzt die Iowa-Gruppe einen Cadmium-Komplex. Cadmium ist hochtoxisch und kommt für die Trinkwassergewinnung nicht infrage. Bevor das Konzept den Sprung aus dem Labor schafft, müssen die Forschenden also einen ungiftigen Ersatz finden. Das ist nicht trivial, weil die photoschaltbaren Eigenschaften an der spezifischen Geometrie von Cadmium hängen.
- Die Skalierung. Die Befunde stammen aus Untersuchungen an einzelnen Kristallen. Ob sich das Verhalten auf Pulver, Beschichtungen oder Membranmaterial übertragen lässt, ist offen; ebenso, ob die Photoreaktion in feuchter, staubiger, sonnenintensiver Wüstenluft so reproduzierbar abläuft wie unter Laborbedingungen.
Die Iowa-Gruppe selbst formuliert vorsichtig: Es handle sich um einen „Proof of Concept“, die Praxis liege noch vor ihnen.
Wasser und Energie hängen zusammen
Wasser und Energie bilden ein gekoppeltes System, in der Fachsprache: Water-Energy-Nexus. Kraftwerke benötigen Kühlwasser, biogene Energieträger Bewässerung, Wasserstoff-Elektrolyseure hochreines Wasser. Umgekehrt verschlingt jede Form der Wasseraufbereitung Energie – von Pumpen über Filtrieren bis zur Entsalzung.
Passive, solar betriebene Wassergewinnung aus der Luft könnte daher an einzelnen Stellen Druck herausnehmen: dezentrale Versorgung in Trockenregionen, kleine Quellen für Elektrolyseure abseits der Großinfrastruktur, Notfall- und Inselsysteme. Niemand erwartet, dass MOFs in den nächsten zehn Jahren die große Felder bewässern. Aber als Ergänzung in einem Mix aus Wasseraufbereitung, Entsalzung und eben atmosphärischer Extraktion könnten sie eine Rolle spielen.
Die Iowa-Studie zeigt, dass MOFs in diesem Kontext nicht nur passive Schwämme sein müssen, sondern „auf Befehl“ ein- und ausschaltbar sind. Das macht die Technologie steuerbar, was im praktischen Einsatz ein Vorteil sein könnte.
Ein Beitrag von:
