Clevere Technik Wie Forscher Wasser aus der Luft ziehen

Luftfeuchtigkeit kann irgendwann einmal im großen Maßstab für die Gewinnung von Wasser verwendet werden, hoffen Forscher. Nun haben sie eine Anlage entwickelt, die ganz von selbst Trinkwasser gewinnt.
Gerät von Forschern der ETH Zürich

Gerät von Forschern der ETH Zürich

Foto: Iwan Hächler / ETH Zürich

Dass ausgerechnet unsere Erde ein Wasserproblem hat, ist schon fast eine bittere Ironie. Schließlich gilt flüssiges Wasser doch als eine der entscheidenden Voraussetzungen für die Entstehung von Leben auf einem Planeten. Aber Fakt ist, dass mehr als zwei Milliarden Menschen auf diesem Planeten keinen dauerhaft sicheren Zugang zu Trinkwasser haben. Und vier Milliarden, mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung, leiden mindestens einen Monat des Jahres unter Wasserknappheit, berichtete die Uno.

Die Erderwärmung infolge des Klimawandels wird die Problematik eher noch verschärfen. Irgendwann könnten auch Regionen von Wassermangel betroffen sein, die bisher sicher versorgt werden können. Der Mensch ist also gut beraten, wenn er nach neuen Ideen sucht, um an Süßwasser zu gelangen.

Eine Strategie, die von Wissenschaftlern schon länger verfolgt wird, ist es, die in der Luft gebundene Feuchtigkeit zu nutzen. Denn theoretisch ist der in der Umgebungsluft vorkommende Wasserdampf eine nahezu unerschöpfliche Quelle. Selbst in Wüsten liegt noch Wasser in der Luft – ein Umstand, den sich manche Pflanzen zum Überleben in diesen trockenen Regionen zunutze machen. Und auch einige Firmen haben schon Maschinen entwickelt, die in der Lage sind, teils Hunderte Liter Trinkwasser pro Tag zur Verfügung zu stellen. Sie arbeiten meist nach dem Prinzip der Kondensation: Durch erzeugte Temperaturveränderungen trifft heiße Luft auf eine kalte Oberfläche, den Rest erledigen die Naturgesetze: Der Wasserdampf kondensiert wieder in seinen flüssigen Aggregatzustand.

Aber die Sache hat einen Haken. Denn das Ganze funktioniert meist nur, wenn viel Energie aufgewendet wird. Abhilfe schaffen sollen passive Systeme, die ohne Strom auskommen. So eine Apparatur haben nun Forscher der ETH Zürich entwickelt. Im Gegensatz zu anderen Techniken, bei denen nur nachts Wassergewinnung möglich ist, kann der Kondensator der Schweizer rund um die Uhr ganz von selbst Wasser erzeugen, berichten die Forscher um Iwan Hächler im Fachmagazin »Science Advances« .

Die Technik ist im Prinzip einfach: Um die Kondensation auch bei Sonneneinstrahlung zu nutzen, benötigt man eine Oberfläche, die möglichst kühl ist, damit dann dort passiert, was man im Winter an mäßig isoliertem Fensterscheiben beobachten kann, an denen das Wasser herunterläuft. Ohne Energiezufuhr, die für Kälte sorgt, bleibt nur eine selbstkühlende Oberfläche. Und genau diese haben die Forscher entwickelt. Ebenso wie am Fenster sollte die Kondensation an der Unterseite einer Glasscheibe ermöglicht werden, die waagerecht in dem Gerät angebracht wurde. Damit von der Scheibe möglichst viel Wärme abgestrahlt wird, haben die Forscher auf der Oberseite zunächst eine hauchdünne, transparente Polymerschicht aufgebracht. An der Unterseite wurde eine Schicht Silber aufgetragen.

Weiße Farbe statt Silber

Der Effekt: Zum einen wird durch das Silber die Sonnenstrahlung reflektiert. Die Polymerschicht wirkt dagegen wie ein Filter und lässt Infrarotstrahlung in einem Wellenlängenbereich von acht bis 13 Mikrometer passieren. In diesem Bereich liegt das sogenannte atmosphärische Fenster. Die Atmosphäre ist weitgehend durchlässig und kann Strahlung direkt an den Weltraum abgeben. Zudem wird sie nicht von molekularen Bestandteilen der Luft auf die Scheibe zurück reflektiert. Es herrschen gute Bedingungen, damit die Scheibe ihre Wärme abgibt und sie sich durch die Beschichtung kühlt. »Wir konnten Werte von bis zu 15 Grad unter der Umgebungstemperatur erreichen«, sagt Hächler dem SPIEGEL. Damit die Abstrahlung möglichst effizient ist, haben die Wissenschaftler zusätzlich eine Art Strahlungsschutzschild um die Scheibe angeordnet. Es sieht aus wie ein Trichter und sorgt dafür, dass die Wärme im idealen Winkel senkrecht nach oben abgestrahlt wird. Gleichzeitig bewahrt es die Scheibe vor den Einflüssen von zusätzlicher seitlicher Wärmestrahlung durch die Atmosphäre.

Letztlich kühlt die Scheibe die wärmere Luft um sie herum. Da kalte Luft weniger Wasserdampf aufnehmen kann als warme, ist irgendwann der Taupunkt erreicht. Dann liegt die relative Feuchte bei 100 Prozent. Sinkt die Temperatur noch weiter, kann die Luft das Wasser nicht mehr halten. Der Wasserdampf kondensiert bei der Anlage an der Unterseite der Scheibe. Um das Wasser effizient aufzufangen, haben die Forscher einen Kniff verwendet. Sie installierten dort eine wasserabstoßende Beschichtung, damit die Wassertropfen von selbst abperlen und in eine Schale laufen. Bei anderen Systemen müsste teils Energie aufgewendet werden, um das Wasser einzusammeln. Das ist hier nicht nötig, heißt es.

Ein kleiner Beitrag zur Lösung der globalen Wasserprobleme

Bisher haben die Forscher den Kondensator auf dem Dach der Eidgenössisch Technischen Hochschule Zürich getestet. In der Stadt herrschte im Versuchszeitraum eine höchst unterschiedliche relative Luftfeuchtigkeit zwischen 30 und 90 Prozent, berichtet Hächler. Um den Wert etwas konstanter zu halten, entwickelten die Forscher während des Experiments eine Kammer, die unter der Scheibe stand. Pro Tag kam die nur wenige Zentimeter große Pilotanlage so auf rund 4,6 Milliliter Wasser. Das ist nah am technisch machbaren. »Bei Anlagen nach diesem Prinzip kommen wir aufgrund physikalischer Grenzen maximal auf einen Ertrag von etwa 1,4 Litern pro Quadratmeter und Tag«, sagt Hächler mit Hinweis auf eine Stanford-Studie .

Das erscheint erst mal nicht viel. Aber wenn man größere Anlagen baut und diese großflächig installiert, ergeben sich durchaus praxistaugliche Werte. Sicher werde die Technik allein nicht die Wasserprobleme der Menschheit lösen, räumt Hächler ein. »Der Vorteil ist eben, dass das System absolut keine Energie benötigt«, sagt der ETH-Forscher. Man kann es einfach hinstellen und machen lassen. Dazu sind die Kosten gering, da man das Silber auch durch günstigeres Material ersetzen könnte. Schon eine helle Farbschicht hätte ähnliche Effekte, so der Forscher. Deshalb kann man den Kondensator zumindest in kleinem Maßstab fast mit Materialien bauen, die es in jedem Baumarkt gibt.

Grundsätzlich gilt: Je niedriger die Luftfeuchtigkeit, desto geringer der Ertrag. Deshalb lohnt sich der Einsatz der Anlagen beispielsweise in sehr trockenen Gebieten südlich der Sahara nicht. Hächler könnte sich eine Anwendung etwa in Regionen wie dem Nahen Osten vorstellen, wo beispielsweise im Gazastreifen die Wasserversorgung aufgrund geringerer Grundwasserreservoire schwieriger geworden ist. Ob die Idee letztlich zukunftsfähig genug ist, muss sich aber erst noch zeigen.

Wie leistungsfähig solche System sein können, wenn zusätzlich Energie aufgewendet wird, hat schon das Unternehmen Skywater in den USA gezeigt. Die schiffscontainergroßen Anlagen bringen es auf bis zu 2000 Liter Wasser pro Tag. Die Israelis von EWA (Extraction of Water from Air) setzen auf eine Art Granulat, das die Feuchtigkeit bindet. Nach der Idee können sogar kleine Wasserfabriken gebaut werden, die rund zwei Dutzend Kubikmeter pro Tag produzieren und etwa 0,3 Kilowattstunden Strom pro Liter verbrauchen. Auch Forscher von der University of California in Berkeley tüfteln unter anderen an einem ähnlichen Prinzip , das in sehr trockenen Regionen eingesetzt werden kann und bereits in der Wüste von Arizona getestet wurde. Hier liegt die Ausbeute aber noch im Milliliter-Bereich.

Grundsätzlich steckt also Potenzial in der Technik. Ein Kubikkilometer Luft enthält zwischen 10.000 und 40.000 Tonnen Wasser in gasförmigem Zustand. Es verdunstet aus Meeren, Seen und Flüssen, nur ein winziger Prozentsatz ist in Wolken gebunden. Das meiste bleibt in der Atmosphäre.

»Langfristig könnten wir unsere Anlage auch auf der Meeresoberfläche anwenden«, hofft Hächler. Selbst zwei Meter über dem Meeresspiegel herrscht noch 80 Prozent Luftfeuchtigkeit, ein unerschöpfliches Reservoir, wenn man die Kondensatoren mit Entsalzungsanlagen kombiniert.

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