Deutsche Forscher gewinnen Trinkwasser aus Luft

In vielen Regionen der Welt wird das Wasser knapp: Es wird heißer und Regen bleibt immer öfter aus. Selbst München sieht sich gezwungen, den Verbrauch von Trinkwasser einzuschränken – unter anderem für Pools, Gartenbewässerung und Autowäsche.

Forscher aus Kiel haben nun einen porösen Hightech-Stoff entwickelt, der Feuchtigkeit selbst aus vergleichsweise trockener Luft bindet und wieder freigibt. Unter den getesteten Bedingungen könnten aus einem Kilogramm davon rechnerisch rund 1,8 Liter Wasser pro Tag gewonnen werden. Und der Stoff kann noch mehr: Er könnte auch Kühlsysteme effizienter machen.

Schon bei 17 Prozent Luftfeuchtigkeit beginnt das Material Wasser zu speichern

Das Material heißt CAU-10-H und gehört zu den metallorganischen Gerüstverbindungen, kurz MOFs. Seine Struktur enthält unzählige winzige Hohlräume, in denen sich Wassermoleküle anlagern. Bereits ab rund 17 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit nimmt CAU-10-H stark Wasser auf. Bei etwa 70 Grad Celsius gibt es die gespeicherte Feuchtigkeit wieder frei.

„Unser Ziel ist es, eine umweltfreundliche Technologie zu entwickeln, die Wassermoleküle aus der Luft in Trinkwasser umwandelt“, sagt Chemieprofessor Norbert Stock von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel.

So lässt sich Trinkwasser aus Luft gewinnen

Für die Wassergewinnung kombinierten die Forscher den porösen Stoff mit einem elektrisch leitfähigen Kohlenstoffschaum. Dessen offene Struktur lässt Luft gut durch das Material strömen. Zugleich verteilt der Schaum Wärme direkt dort, wo das Wasser gespeichert ist. Dadurch lässt sich die Feuchtigkeit schneller wieder aus dem Material lösen.

Bei 40 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit nahm der Verbund bis zu 0,17 Gramm Wasser pro Gramm Material auf. Aus den gemessenen Aufnahme- und Abgabezyklen errechnete das Team für CAU-10-H ein Potenzial von rund 1,83 Litern Wasser pro Kilogramm und Tag. Dieser Wert ist bislang eine Hochrechnung aus kleinen Laborversuchen. Eine Anlage, die bereits im großen Maßstab täglich entsprechende Mengen produziert, wurde noch nicht getestet.

Die Ergebnisse ihrer Arbeit veröffentlichten die Wissenschaftler im Journal of Materials Chemistry A.

Der Kohlenstoffschaum beschleunigt die Wasserabgabe deutlich

Der leitfähige Schaum verkürzte vor allem die Zeit, die zur Freisetzung des Wassers nötig war. Bei einem der untersuchten MOFs sank die Dauer durch elektrische Erwärmung von 77 auf 45 Minuten. Insgesamt ließ sich die Wasserabgabe gegenüber einer Regeneration ohne Heizung um bis zu 51 Prozent verkürzen. Je nach Material und Luftfeuchtigkeit dauerten vollständige Zyklen zwischen 46 und 178 Minuten.

Auch Licht kann den Verbund aufheizen. Ein untersuchtes Material erreichte die nötigen 70 Grad mit elektrischer Erwärmung nach rund 85 Sekunden. Unter Lichtbestrahlung dauerte es etwa 90 Sekunden. Für einen Betrieb allein mit natürlichem Sonnenlicht müsste die Strahlung allerdings gebündelt werden, etwa mit Spiegeln oder Fresnel-Linsen.

Fast 30 Kilogramm entstehen erstmals im Pilotmaßstab

Für eine spätere Nutzung reicht ein funktionierender Laborversuch nicht aus. Das Material muss sich auch in größeren Mengen herstellen lassen. Die Ergebnisse zur Hochskalierung und zur Kühlung erschienen im Fachjournal Industrial & Engineering Chemistry Research. Dafür übertrug das Kieler Team die Produktion in einen 750-Liter-Reaktor. Am Ende entstanden 27,5 Kilogramm trockenes CAU-10-H. Wegen eines Verlusts bei der Verarbeitung wären ohne den Zwischenfall rechnerisch rund 29,6 Kilogramm möglich gewesen.

Die Eigenschaften des Materials blieben beim Hochskalieren erhalten. Bei rund 30 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit nahm CAU-10-H etwa 308 Milligramm Wasser pro Gramm auf. Frühere Untersuchungen hatten zudem ergeben, dass sich Wasseraufnahme und -abgabe über mindestens 10.000 Zyklen wiederholen lassen.

© Christina Anders, Uni Kiel Kalle Mertin macht die Struktur von CAU-10-H anschaulich: Sein Arm passt durch das Modell der röhrenartigen Poren, in denen das Material Wassermoleküle aufnimmt und wieder freisetzt. © Christina Anders, Uni Kiel

Großproduktion könnte den Preis deutlich drücken

Die Forscher berechneten außerdem, was eine industrielle Herstellung kosten könnte. Für eine Fabrik mit einer Jahresproduktion von 1000 Tonnen kamen sie auf rund 13,80 Dollar pro Kilogramm. Ein optimierter Prozess könnte die Kosten auf etwa 12,10 Dollar senken. Grundlage dafür sind Modellrechnungen auf Basis der Pilotproduktion.

Dabei untersuchten die Wissenschaftler unter anderem eine höhere Konzentration der Ausgangsstoffe und die Wiederverwendung von Lösungsmitteln. „Wir haben gezeigt, dass unsere Materialien nicht nur im Labor funktionieren, sondern auch in wirtschaftlich tragfähigem Maßstab hergestellt werden können“, erklärt Stock.

Damit rückt CAU-10-H näher an die praktische Anwendung. Größere Anlagen müssen nun zeigen, wie zuverlässig und effizient das Material unter realen Bedingungen arbeitet.

Dasselbe Material kann auch mit Abwärme kühlen

CAU-10-H eignet sich auch für sogenannte Adsorptionskältemaschinen. Solche Systeme nutzen Wärme, um einen Kühlkreislauf anzutreiben. Als Energiequelle kommen etwa industrielle Abwärme, Motorwärme oder Solarwärme infrage. Weil CAU-10-H sein gespeichertes Wasser bereits bei etwa 70 Grad Celsius wieder abgibt, können vergleichsweise niedrige Temperaturen genügen.

Für die Tests beschichteten die Forscher Aluminiumplatten mit CAU-10-H und maßen dessen Wasseraufnahme unter praxisnahen Bedingungen. Diese Daten flossen anschließend in die Simulation einer vollständigen Adsorptionskältemaschine ein. Bei der Prozesskühlung mit moderater Abwärme erreichte das berechnete CAU-10-H-System eine Kühlleistung von 9,2 Kilowatt. Ein vergleichbares System mit Silicagel kam auf 3,7 Kilowatt.

Auf Schiffen liefert das Material deutlich mehr Kühlleistung

Auch bei der Klimatisierung von Schiffen und Fähren schnitt CAU-10-H in der Simulation besser ab. Das System erreichte dort eine Kühlleistung von 16,9 Kilowatt. Mit Silicagel waren es 8,6 Kilowatt. Zugleich lag die thermische Effizienz höher.

Unter allen Bedingungen war das Material allerdings nicht überlegen. Bei einer für Rechenzentren und Elektronik berechneten Antriebstemperatur von 55 Grad Celsius erreichte das Silicagel-System 11,3 Kilowatt Kühlleistung. CAU-10-H kam auf 4,4 Kilowatt. Wie gut das Material arbeitet, hängt deshalb stark von der verfügbaren Wärmequelle und vom jeweiligen Einsatz ab.

Kurz zusammengefasst:

Kieler Forscher gewinnen Wasser aus trockener Luft: Ihr Material CAU-10-H könnte unter Testbedingungen rechnerisch rund 1,8 Liter Wasser pro Kilogramm und Tag liefern.
Der technische Kniff ist ein leitfähiger Kohlenstoffschaum: Er hilft, das gespeicherte Wasser schneller freizusetzen und ermöglicht dadurch kürzere Zyklen.
CAU-10-H kann auch beim Kühlen helfen: In Simulationen war es bei einigen Anwendungen deutlich leistungsfähiger als Silicagel, aber nicht unter allen Bedingungen.

Übrigens: Während Kieler Forscher Wasser aus der Luft gewinnen wollen, geraten an vielen Küsten ausgerechnet die unterirdischen Trinkwasservorräte unter Druck, weil Salzwasser zunehmend eindringt. Mehr als 20 Prozent der untersuchten Küstengebiete zeigen bereits sinkende Grundwasserstände – mehr dazu in unserem Artikel.