Atmosphärische Wassergewinnung – Wie die Nutzung der Schwerkraft diese Technologie voranbringen kann

Wasser ist vielleicht die wertvollste Ressource, mit der unser Planet zu kämpfen hat. Obwohl es 70 % unseres Planeten bedeckt, ist Süßwasser – das Wasser, das wir zum Trinken, Baden oder zur Bewässerung unserer Felder verwenden – knapp. Nur 3 % des weltweiten Wassers ist Süßwasser. Darüber hinaus befindet sich ein Drittel dieser 3 % in gefrorenen Gletschern oder ist nicht nutzbar.

Die Folgen der Wasserknappheit spiegeln sich weltweit wider. Global haben fast 1,1 Milliarden Menschen keinen Zugang zu Wasser. Insgesamt leiden 2,7 Milliarden Menschen im Jahr mindestens einen Monat an Wasserknappheit.

Wassermangel führt auch zu vielen anderen Problemen, wie unzureichender Sanitärversorgung, ein Problem für 2,4 Milliarden Menschen, die dadurch anfälliger für Krankheiten wie Cholera und Typhus sowie viele andere tödliche Durchfallerkrankungen werden.

Die wachsende Bevölkerung und die ständig steigende Nachfrage nach Wasser stehen seit jeher im Konflikt. Je stärker unser Planet besiedelt ist, desto stärker werden seine Wassersysteme belastet.

Steigende Verschmutzungswerte haben die Flüsse, Seen und Grundwasserleiter unseres Planeten stark belastet. Noch beunruhigender ist, dass über die Hälfte der weltweiten Feuchtgebiete verschwunden ist.

Wenn die Wissenschaftsgemeinde nicht rechtzeitig Lösungen entwickelt, um der Bedrohung durch das Verschwinden von Wasser zu begegnen, werden unsere Agrarsysteme bald nicht mehr genug Wasser haben, was zu Nahrungsmittelunsicherheit und vielem mehr führt.

Glücklicherweise stellt sich die Wissenschaftsgemeinde weltweit dieser Herausforderung. Heute werden wir im nächsten Abschnitt eine solche bahnbrechende Lösung diskutieren und anschließend tiefer darauf eingehen.

Gerät extrahiert Wasser aus der Luft nur mit Hilfe der Schwerkraft

Ein Team von internationalen Forschern, geleitet von KAUST‑Professor Qiaoqiang Gan hat ein Gerät entwickelt, das potenziell ohne Strom auskommt und Wasser aus der Luft mit nichts als Schwerkraft extrahiert. Das Gerät, das bereits ohne teure Energieversorgung auskommt, kann aus günstigen und leicht verfügbaren Materialien hergestellt werden.

Das Experimentpapier mit dem Titel „Lubricated Surface in a Vertical Double-Sided Architecture for Radiative Cooling and Atmospheric Water Harvesting“ zielt darauf ab, die atmosphärische Wassergewinnung effizienter zu machen.

Der Wassergewinnungsprozess verbessert sich durch strahlungsbasierte Kühlung erheblich. Strahlungsbasierte Kühlung senkt die Kondensatortemperaturen deutlich unter das Umgebungsniveau und ermöglicht so die atmosphärische Wassergewinnung ohne zusätzlichen Energieaufwand.

Ein Problem, dem strahlungsbasierte Kühlsysteme gegenüberstehen, ist die geringe Kühlleistungsdichte herkömmlicher, zum Himmel gerichteter Kondensatoren sowie das Anhaften von Wassertropfen an der Oberfläche, was eine aktive Kondensatsammlung erfordert.

Die Forschung hat eine Lösung für dieses Problem vorgeschlagen: eine lubrifizierte Oberflächen‑(LS‑)Beschichtung – bestehend aus hoch skalierbarem Polydimethylsiloxan‑Elastomer, das mit Silikonöl auf der Kondensatorseite einer vertikalen, doppelseitigen Architektur beschichtet ist.

Der Entwurf bietet mehrere Vorteile. Erstens verdoppelt er effektiv die lokale Kühlleistung.

Zweitens eliminiert er das Anhaften an der Kontaktlinie, wodurch eine passive, schwerkraftgesteuerte Wasser­sammlung ermöglicht wird. Das Ergebnis ist eine gesteigerte AWH‑Kapazität von einer 0 × 30 cm²‑Probe in Außenumgebungen, die keiner künstlichen Luftbefeuchtung ausgesetzt war.

Die passive Wasser­sammlungsrate der lubrifizierten Oberflächen‑(LS‑)Beschichtung erreichte 21 g m⁻² h⁻¹, das Doppelte einer superhydrophoben Oberfläche (10 g m⁻² h⁻¹). Die Leistung war im Innenbereich sogar noch besser, wo das System eine Kondensationsrate von bis zu 87 % des theoretischen Limits erreichte und bis zu 90 % des gesamten Kondensats passiv sammelte.

Vorteile einer korrekt durchgeführten atmosphärischen Wassergewinnung

Die Atmosphäre enthält sechsmal mehr Wasser als das gesamte Süßwasser aller Flüsse der Erde zusammen. Laut Professor Gan:

„Dieses Wasser kann durch Technologien zur atmosphärischen Wassergewinnung gesammelt werden.“

Und wenn der Prozess effizient mit der oben genannten Lösung durchgeführt wird, wird er für die Anwender umso profitabler. Während Professor Dan Daniel, einer der Post‑Docs in Professor Gans Forschungsgruppe, die Vorteile des Systems erläuterte, sagte er:

„Das System verbraucht keinen Strom, was zu Energieeinsparungen führt. Zudem verzichtet es auf mechanische Bauteile wie Kompressoren oder Ventilatoren, wodurch die Wartung im Vergleich zu herkömmlichen Systemen reduziert wird und weitere Einsparungen ermöglicht.“

Auf Dan Daniels Beobachtungen fügte ein weiterer Post‑Doc des Teams, Shakeel Ahmad, hinzu:

„Unsere Beschichtung hat das Anhaften effektiv eliminiert und ermöglicht eine wahre passive Wasser­sammlung, die vom Wasser selbst angetrieben wird.“

Insgesamt verbessert das System die Qualität der atmosphärischen Wassergewinnung erheblich und macht AWH zu einer echten Lösung in einer Welt, in der Wasserressourcen immer knapper werden.

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Fortschritte bei Systemen zur atmosphärischen Wassergewinnung

Im Oktober 2023 veröffentlichte die Fachzeitschrift Energy eine umfassende Übersicht über Techniken, Leistungen, erneuerbare Energielösungen und Machbarkeit im Zusammenhang mit der AWH‑Methode. Die Übersicht hob die atmosphärische Wassergewinnung als potenziell riesige Süßwasserquelle von 12.900 km³ hervor.

Sie sagte:

„Atmosphärische Wassergewinnungssysteme haben in den letzten Jahren an Beliebtheit gewonnen, da sie in trockenen Regionen eine nachhaltige Wasserquelle bieten.“

In den kommenden Abschnitten betrachten wir einige dieser Fortschritte, darunter Entfeuchtung, Kondensation, Vapor‑Kompressionskühlkreisläufe (VCRCs), Thermoelektrische Kühler (TECs), Klimaanlagen, Brennstoffzellen und integrierte Systeme.

Entfeuchtende Kondensation

Entfeuchtungs‑Wassergewinnungstechnologien beziehen Energie aus Solar‑, Wind‑ oder elektrischen Quellen. Die Technologien können kompressor‑/kältemittelbasiert oder desiccant‑basiert sein.

Die ersten Typen arbeiten über Taupunktkondensation und bieten eine kalte Oberfläche, auf der Wasserdampf kondensieren kann, während die zweiten den Wasserdampf mit einem Sorptionsmittel sättigen, das anschließend erhitzt wird, und der übersättigte Dampf an einer kühleren Umgebungsluft kondensiert.

Vapor‑Kompressionskühlkreisläufe (VCRCs)

Dieser Prozess bezieht sich auf einen Mechanismus, bei dem Dampf komprimiert, dann mit Wasser oder Luft kondensiert und anschließend durch ein Ventil oder einen Motor mit Leistungsabnahme auf niedrigen Druck und entsprechend niedrige Temperatur expandiert wird.

Thermoelektrische Kühler

Im Jahr 2023 veröffentlichte die International Information and Engineering Technology Association (IIETA) eine Studie zur Gewinnung atmosphärischen Wassers mittels thermoelektrischer Kühltechnologie.

Die Studie zielte darauf ab, das Potenzial von atmosphärischer Luft als alternative saubere Wasserquelle zur Minderung des Wassermangels in Indonesien zu untersuchen, einem Land mit einer durchschnittlichen atmosphärischen Luftfeuchtigkeit von 75 % bis 85 %.

Die Forscher setzten einen thermoelektrischen Kühler (TEC 1‑12706) ein, ergänzt durch einen Kühlkörper und einen Lüfter auf der heißen Seite, um die Wärmeabfuhr zu verbessern. Eine aus Kupfer gefertigte Kühlspule diente sowohl als Wärmeabsorber als auch als Kondensator für die durchströmende atmosphärische Luft.

Die Kühlquelle für die Spule (Durchmesser = 7,9 mm; Länge = 1000 mm) wurde aus einem Wasserblock gewonnen, der an der kalten Seite des Kühlers befestigt war. Die Versuchsbedingungen umfassten alle möglichen Umgebungssettings, darunter Labor, Wohngebiet und Küstengebiet, wobei die Luftstromrate des Kühlkörper‑Lüfters variiert wurde.

Daten wurden über einen Feuchtigkeitsbereich von 72,27 %‑83,01 % gesammelt, und die Ergebnisse zeigten eine direkte Korrelation zwischen der Luftmasse‑Durchflussrate des Kühlkörper‑Lüfters und der Menge des aus der Luft extrahierbaren Wassers.

Der Versuch lieferte zudem interessante Einblicke in den Einfluss des Umgebungstyps auf das extrahierte Luftvolumen, da an der Küste mehr Wasser extrahiert werden konnte als in Laboren und Wohngebieten.

Genauer gesagt betrug die Luftmasse‑Durchflussrate in Küstengebieten 0,092 kg/s, und das extrahierbare Wasser lag bei 7,75 ml/h. Im Labor fiel die Leistung auf 5,5 ml/h, und in Wohngebieten auf 4,75 ml/h. Die Forscher erkannten, dass die Wasser­extraktion gesteigert werden kann, indem die Kontaktfläche zwischen dem Luftkühler und der Spulenoberfläche maximiert wird.

Klimaanlagen 

Im Juni 2024 veröffentlichte ein Forschungsartikel in der Zeitschrift Case Studies in Chemical and Environmental Engineering bewertete die Wahrscheinlichkeit der Wasserproduktion aus Klimaanlagen als unkonventionelle Versorgungsquelle.

Genauer untersucht die Studie die physikalischen und chemischen Eigenschaften des kondensierten Wassers und prüfte das Vorhandensein von Schwermetallen in den gesammelten Kondensatproben, die von Klimaanlagen erzeugt wurden.

Ziel der Bewertung war es, sicherzustellen, dass die Wasserqualität den von jordanischen Trinkwasserstandards und den FAO‑Richtlinien für Bewässerungszwecke festgelegten Kriterien entspricht.

Die Studie wurde in Jordanien durchgeführt, das weltweit zu den am stärksten von erneuerbaren Süßwasserressourcen benachteiligten Ländern gehört, mit einer knappen Pro‑Kopf‑Verfügbarkeit von etwa 61 m³ im Jahr 2021.

Die Testergebnisse zeigten, dass die Proben größtenteils die zulässigen Grenzwerte sowohl der Trinkwasserrichtlinien (unter 20 °C) als auch der Kriterien für behandeltes Wasser in der Bewässerung (unter 25 °C) erfüllten. Der Temperaturbereich der Proben lag zwischen 16 °C und 20 °C, mit einem Mittelwert von 18 °C, während die pH‑Werte der Kondensatproben von 7,16 bis 7,25 reichten, mit einem Mittelwert von 7,20.

Brennstoffzellen

Eine weitere Forschung, veröffentlicht im Dezember‑2020‑Ausgabe von Applied Energy, schlug vor, das elektrochemische Wasser der Brennstoffzelle für den dampfkompressionszyklus‑basierten atmosphärischen Wasser‑Generator (VCC‑AWG) wiederzuverwenden. 

Der Lösungsmechanismus nutzte das Abgas der Brennstoffzelle, das mit einer höheren relativen Luftfeuchtigkeit als die natürliche Atmosphäre in den VCC‑AWG eintrat, nachdem es durch einen Umgebungswärmetauscher zur Ableitung der elektrochemischen Abwärme geleitet wurde.

Die Wissenschaftler schlugen vor, dass die höhere relative Luftfeuchtigkeit die Frischwasser­ausbeute pro Energieeinheit steigern könnte. Die Ergebnisse zeigten, dass bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 0,75 ein 2‑Kilowatt‑Brennstoffzellen‑System bis zu 3 kg/h Frischwasser erzeugte, was 50 % mehr war als ohne Brennstoffzelle.

Bei einem spezifischen Energieverbrauch von 200 Wh/kg könnte der VCC‑AWG mit geringen Einbußen in der FC‑Leistungsabgabe integriert werden.

Integrierte Systeme

Schließlich haben mehrere Forscher auch innovative integrierte Systeme vorgeschlagen, die Desiccant‑Räder und Verdampferkühler kombinieren, um sowohl gekühlte Luft als auch kondensiertes Wasser zu liefern.

Noch wichtiger ist, dass diese integrierten Systeme in trockenen Umgebungen herausragende Wassergewinnungsfähigkeiten gezeigt haben. Beispielsweise konnte laut Daten aus einem Experiment ein 1 m³‑Entfeuchtersystem einer katarischen Familie bei relativen Luftfeuchtigkeiten von 50‑70 % täglich über 15 l Frischwasser bereitstellen.

Während wissenschaftliche Gemeinschaften weltweit konsequent die Möglichkeiten der atmosphärischen Wassergewinnung erforschen und deren Grenzen erweitern, haben Unternehmen Lösungen entwickelt, die für die Massenadoption geeignet sind. In den kommenden Abschnitten werfen wir einen kurzen Blick auf einige dieser Unternehmen.

#1. Atoco

Quelle: Atoco

Atocos Wassergewinnungstechnologie kann reines Wasser aus der Atmosphäre gewinnen und erzeugen, selbst bei trockenen Bedingungen mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von unter 20 %.

Wie die Forschung, mit der wir unsere Diskussion begannen, kann die Atoco‑Lösung im Passivmodus ohne Stromverbrauch betrieben werden und ermöglicht netzunabhängige Einsätze mit null CO₂‑Fußabdruck.

Die Qualität des Wassers, das durch Atocos neuartige retikuläre Materialien entsteht, ist extrem rein und erfordert keine zusätzliche Filtration. Es entspricht vollständig den globalen Standards, einschließlich WHO‑ und EPA‑Normen für Trinkwasser sowie den FAO‑Wasserqualitätsstandards für landwirtschaftliche Zwecke.

Gegründet von Prof. Omar Yaghi – dem Vater der retikulären Chemie – glaubt Atoco, dass es sowohl die Ursache als auch die Folgen des Klimawandels angehen und globale Erwärmung sowie Wasserknappheit bekämpfen kann, indem nachhaltige, resiliente und transformative Lösungen im Bereich der atmosphärischen Wassergewinnung entwickelt werden.

#2. Watergen

Watergen, ein wegweisendes israelisches Unternehmen und weltweit führend im Markt für atmosphärische Trinkwassergeräte (AWG), bietet Maschinen, die Trinkwasser so effektiv und wirtschaftlich wie möglich erzeugen. Seine Lösungen sind in mehr als 65 Ländern weltweit im Einsatz.

Die kommerzielle Gen‑L‑Lösung kann bis zu 6.000 Liter pro Tag produzieren, während die kompakte Genny‑Lösung 30 Liter pro Tag liefert. Das Unternehmen bietet für jeden Bedarf zwischen diesen beiden Endpunkten passende Lösungen.

Im Jahr 2022 kündigte Watergen ein strategisches Joint‑Venture mit der SMV Jaipuria Group an, mit einer geplanten Investition von über USD 50 Millionen in den nächsten 2‑3 Jahren, um Wasser‑aus‑der‑Luft‑Technologieprodukte nach Indien zu bringen.

Abschließende Worte

Insgesamt ist die Welt bereit, die Herausforderungen der Wasserknappheit direkt anzugehen, indem sie eine weitere natürliche Ressource, die uns im Überfluss zur Verfügung steht, geschickt nutzt: die atmosphärische Luft.

Allerdings muss noch mehr Arbeit geleistet werden, um die Grenzen zu erweitern, indem die Produktionskosten gesenkt und die Prozesse umweltfreundlich gestaltet werden, mit keinem oder minimalem Energieeinsatz.

Viele der wasserknappen Länder sind einkommensschwache Volkswirtschaften. Sie benötigen Lösungen, die für die Massen erschwinglich und so nahtlos wie möglich einsetzbar sind.

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