Dürren haben in den letzten Jahren weltweit für Schlagzeilen gesorgt, angefangen von der kalifornischen Wasserkrise bis hin zu Kapstadts schwerer Wasserknappheit. Untersuchungen zufolge könnten 25 Prozent des Globus aufgrund des Klimawandels unter Dürre leiden. Aber was wäre, wenn Sie einfach Wasser aus der Luft ziehen könnten?
Dies ist die Voraussetzung für eine neue Technologie, die von Berkeley-Forschern der University of California entwickelt wurde. Es handelt sich um einen Wasserroder, der der Luft auch in extrem trockenen Klimazonen Wasser entzieht und dabei nur Sonnenlicht verbraucht.
Der Schlüssel zum Wasseraufbereiter ist eine neue Klasse von Materialien, die als metallorganische Gerüste (Metal Organic Frameworks, MOFs) bezeichnet werden. Diese MOFs sind feste, aber poröse Materialien mit enormen Oberflächen - ein MOF von der Größe eines Zuckerwürfels kann eine innere Oberfläche haben, die so groß ist wie viele Fußballfelder. Das heißt, sie können Gase und Flüssigkeiten aufnehmen und bei Wärmezufuhr schnell wieder abgeben.
„Bestimmte MOFs, wie wir hier gezeigt haben, haben eine außergewöhnliche Fähigkeit, Wasserdampf aus der Atmosphäre anzusaugen, halten sich aber gleichzeitig nicht zu fest an den Wassermolekülen in ihren Poren, damit das Wasser leicht herauskommt. Sagt Omar Yaghi, Professor für Chemie in Berkeley, der die Forschung leitete.
Die Forscher testeten den Mähdrescher in Scottsdale, Arizona, einer Wüstenstadt mit einer Luftfeuchtigkeit von 40 Prozent bei Nacht und 8 Prozent bei Tag. Basierend auf den Versuchen mit einem Zironium-basierten MOF glauben die Forscher, dass der Harvester letztendlich etwa 3 Unzen Wasser pro Pfund MOF pro Tag extrahieren könnte.
Der Mähdrescher selbst ist eine Kiste in einer Kiste. Die innere Box enthält ein Bett von MOFs. Die äußere Box ist ein zwei Fuß großer transparenter Kunststoffwürfel. Nachts ließen die Forscher das Oberteil vom Außenkasten ab, damit Luft an den MOFs vorbeiströmen konnte. Am Tag legten sie das Oberteil wieder auf, damit die Box von der Sonne erwärmt wurde. Die Hitze würde das Wasser aus den MOFs ziehen, wo es an den Innenwänden des Plastikwürfels kondensiert, bevor es auf den Boden tropft, wo es gesammelt werden könnte.
„Der wichtigste Aspekt dieser Technologie ist, dass sie vollständig energiepassiv ist“, sagt Eugene Kapustin, ein Doktorand aus Berkeley, der an der Forschung mitgearbeitet hat.
Das heißt, es benötigt außer der Sonne keine Energie, wodurch es umweltfreundlich und für Menschen an Orten mit begrenzter Elektrizität zugänglich ist. Die Ergebnisse der Studien wurden Anfang dieses Monats in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht .
Das Team muss weitere Versuche mit den aktuellen Modellen durchführen, um herauszufinden, welche Faktoren, wie z. B. die Gerätegröße und die Position der MOF im Gerät, die größte Auswirkung auf die Wasserentnahme haben. Sie hoffen auch, mehr darüber zu erfahren, wie sich bestimmte Klimabedingungen auf den Wasserertrag auswirken. Der nächste Versuch ist für den Spätsommer im Death Valley geplant, wo die Luftfeuchtigkeit in der Nacht bis zu 25 Prozent betragen kann.
Mikroskopaufnahme von Kristallen eines MOF (UC Berkeley) Yaghi hat außerdem ein neues MOF auf Aluminiumbasis entwickelt, das 150-mal billiger ist und doppelt so viel Wasser aufnehmen kann wie die aktuellen MOFs. Gemeinsam mit seinem Team entwirft er einen neuen Wasser-Harvester, der mit hoher Geschwindigkeit aktiv Luft in die MOFs saugt und so ein viel größeres Wasservolumen liefert.
Das Team arbeitet jetzt mit der Industrie zusammen, um Erntemaschinen im industriellen Maßstab zu testen. Sie suchen auch weiterhin nach neueren, besseren und billigeren MOFs.
"Ich freue mich sehr, dass sich immer mehr Forscher auf der ganzen Welt unseren Bemühungen in dieser Hinsicht anschließen", sagt Yaghi.
Die Idee, Wasser aus der Atmosphäre zu saugen, ist nicht neu, sagt Eric Hoek, Ingenieurprofessor an der University of California in Los Angeles und Herausgeber der Zeitschrift npj Clean Water . Es ist seit langem bekannt, dass beim Betrieb einer Klimaanlage Wasser austropft. Dies liegt daran, dass die Maschine die Luft auf den Taupunkt abkühlt, auf die Temperatur, bei der die Luft mit Wasserdampf gesättigt ist und Kondensation auftritt.
Die Entwicklung von Water Harvestern auf der Basis von Kühltechnologie ist jedoch unglaublich energieintensiv. In sehr trockenen Klimazonen liegt der Taupunkt unter Null. Ein Abkühlen der Luft auf diese Temperatur in großem Maßstab ist nicht möglich.
"Die wirkliche Innovation [der Yaghi-Forschung] ist eine Materialinnovation", sagt Hoek. "Diese Materialien [die MOFs] ziehen Wasser heraus und geben es leichter auf."
Das Konzept ist jedoch schwierig zu skalieren, warnt Hoek, da die Menge an Wasser, die pro Quadratzoll Erntemaschine erzeugt wird, relativ gering ist und daher eine große Erntemaschine möglicherweise eine große Menge Land in Anspruch nehmen würde.
"Aber vielleicht ist es für einen Haushalt oder ein Dorf eine sehr interessante Möglichkeit, frisches Wasser aus der Steckdose zu holen", sagt Hoek.
Yaghi stellt sich genau das vor: eine Zukunft, in der jeder, der keinen einfachen Zugang zu frischem Wasser hat, einen Mähdrescher in seinem Garten hat.
„Meine Vision ist es, ‚ personalisiertes Wasser 'zu schaffen, bei dem Menschen in wassergestressten Regionen ein Gerät zu Hause haben, das mit Solarenergie betrieben wird und das Wasser liefert, das die Grundbedürfnisse des Einzelnen befriedigt “, sagt er. „Mehr als ein Drittel der Weltbevölkerung lebt in wasserarmen Regionen oder leidet unter Mangel an sauberem Wasser. Die potenziellen Auswirkungen dieser Technologie auf die Veränderung des Lebens der Menschen und die Verbesserung der globalen Bedingungen für die öffentliche Gesundheit sind enorm. “
