Die Effizienz der atmosphärischen Wassergewinnung in ariden Regionen zu steigern, ist entscheidend

Sauberes Wasser aus dünner Luft

In vielen Regionen der Welt ist Süßwasser ein kostbares Gut. Eine Möglichkeit für den Zugang könnte die Entsalzung sein, aber das ist bisher ein sehr energieintensiver Ansatz, auch wenn in der Solartechnologie einige Fortschritte sie kürzlich realistischer gemacht haben. Die Entsalzung von Meerwasser ist auch für viele Binnen‑Wüstenregionen keine Option, zum Beispiel Zentralasien, die Mongolei, die chilenischen Berge oder den größten Teil der Sahara.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das in der Luft vorhandene Wasser zu erfassen. Viele Wüsten haben tatsächlich relativ hohe atmosphärische Feuchtigkeit, aber aus klimatischen Gründen bilden sie keinen Regen und keine Wolken. Das ist das Versprechen der atmosphärischen Wassergewinnung. Wir haben bereits behandelt, wie passives Kühlen in Kombination mit einer Siliziumbeschichtung die Effizienz der gravitätsbasierten Wassergewinnung steigern könnte.

Forscher untersuchen nun, wie die Methode weiter verbessert werden kann, insbesondere durch den Einsatz neuer Polymertypen. Wissenschaftler der Osaka Metropolitan University führten diese Forschung durch, die in ACS ES&T Water unter dem Titel „Flüssigkeits‑Polyether‑basierter Wasserernter für den Betrieb bei nahezu Umgebungstemperatur über hydrophilie‑Differenz‑induzierte Wasserübertragung¹“ veröffentlicht wurde.

Wasseradsorption

Eine Methode, Wasser aus dünner Luft zu gewinnen, besteht darin, ein Polymer zu verwenden, das das Wasser „adsorbieren“ kann. Adsorption ist die Fähigkeit fester Stoffe, Moleküle von Gasen oder Lösungen, mit denen sie in Kontakt stehen, an ihren Oberflächen anzuziehen – in diesem Fall gasförmige Wasserdämpfe und in der Luft schwebende Wassertröpfchen.

Im Alltag kennen wir adsorbierende Materialien wie Silikagel in kommerziellen Verpackungen. Dies ist tatsächlich ein recht effizienter Prozess und kann viel Umgebungswasser sammeln.

Quelle: Osaka Metropolitan University

Das Problem besteht darin, das Polymer das Wasser freizugeben. In der Regel ist eine Hitze von etwa 100 °C erforderlich, um diese Polymere zu desorbieren, was natürlich sehr energieineffizient und kostspielig ist. Im Gegensatz dazu ist das in Osaka entwickelte neue Polymer anders.

Desorption bei niedriger Temperatur

Das Problem beim Freisetzen des Wassers aus dem Polymer besteht darin, dass genau die Eigenschaften, die ein Polymer zu einem guten Adsorbens machen, es gleichzeitig schlecht darin machen, das Wasser wieder abzugeben, weshalb hohe Temperaturen erforderlich sind.

Zuvor versuchten die Forscher, Poly(ethylene glycol) (PEG) und oligomeren Poly(propylene glycol) (PPG) zu mischen und dabei einen „hydrophilie‑Differenz‑induzierten Wassertransfer (HWT)“-Mechanismus zu erzeugen.

Einfacher ausgedrückt erzeugte der Unterschied in der Wasseradsorption zwischen den beiden Polymerarten eine geringere Fähigkeit, das adsorbierte Wasser zu halten. Dies ermöglichte die Herstellung eines flüssigen Feuchtigkeitsadsorbens, das nur bei einer Temperatur von etwa 35 °C / 95 °F funktioniert.

Allerdings begrenzte dies die Wasseradsorptionskapazität der Mischung, wodurch sie weniger produktiv war, obwohl sie deutlich weniger energieintensiv war.

PEG‑PPG‑Kopolmer

Im neuesten Experiment versuchten die Forscher, einen PEG‑PPG‑Kopolmer mit PEG zu mischen.

Quelle: ACS Publication

Diese Mischung verstärkte den HWT‑Effekt noch weiter und führte zum bestmöglichen Ergebnis:

• Die niedrige Temperatur der Rückgewinnung blieb erhalten
• Die Wassererntungsrate war tatsächlich höher als bei reinem PEG, das normalerweise das beste Adsorptionsmittel war.

Der zufällige PEG‑PPG‑Kopolmer zeigte die höchste Wassererntungsrate, über der von PEG. Die verbesserte Wassergewinnung resultierte aus dem synergistischen Effekt von HWT und dem Zusammenbruch von Wasserclustern.

Anwendungen

Die niedrige Temperatur, die zum Sammeln des Wassers und zur Regeneration des Polymers erforderlich ist, verändert das Potenzial dieser Technologie grundlegend. Erstens eliminiert sie die Notwendigkeit energieintensiver hoher Temperaturen und verbessert damit die Umweltbilanz der Idee erheblich.

„Verbesserungen dieser Technologie werden voraussichtlich auch zu einer Reduzierung von Treibhausgasen und einer effizienteren Nutzung der Wasserressourcen führen. Von nun an werden wir bestreben, das flüssige Feuchtigkeitsadsorptionsmittel zu verbessern und die Effizienz des gesamten Systems zu steigern, um es praktisch einsetzbar zu machen.“
Masahide Takahashi – Professor an der Osaka Metropolitan University

Zweitens, da 35 °C / 95 °F viel leichter zu erreichen sind, könnte das System einfach durch Ausnutzung des Tag‑Nacht‑Zyklus erzeugt werden, insbesondere in Wüstenregionen, in denen der Tag recht heiß ist, wie in den meisten Wüsten der Tropenzone (Sahara, Naher Osten, Indien, Mexiko und Südwesten der USA usw.).

Kältere Regionen wie die Mongolei könnten schwieriger sein, aber vielleicht könnte ein sehr einfacher Metallfolienspiegel helfen, die 35 °C‑Schwelle bei Sonnenschein zu erreichen. Dies eröffnet den Weg für ein vollständig passives System, das automatisch Wasser mit sehr geringem Aufwand erzeugt.

Die gleiche Technologie könnte auch schnell in Regionen eingesetzt werden, die dringend sauberes Wasser benötigen.

„Diese Technologie hat das Potenzial, nicht nur zur Wasserversorgung in ariden Regionen und Gebieten mit begrenzten Energiequellen eingesetzt zu werden, sondern auch den Zugang zu Wasser in Zeiten von Katastrophen und Notfällen zu gewährleisten.“
Arisa Fukatsu – Assistenzprofessorin an der Osaka Metropolitan University

Weitere Entwicklungen könnten ebenfalls auf dieser Forschung aufbauen. Zum Beispiel beweist nichts, dass die hier entdeckte Polymermischung die optimale Kombination ist.

Theoretisch könnten viele andere Mischungen aus hydrophilen und etwas weniger hydrophilen Polymeren die Aufgabe übernehmen. Da das Prinzip nun demonstriert ist, könnte eine systematische Erforschung neuer wasseradsorbierender Materialien die Ausbeute weiter verbessern und die Technik näher an die kommerzielle Realisierbarkeit bringen.

Unternehmen, das Wasserknappheit löst

Xylem Inc.

Gemeinsam mit dem europäischen Unternehmen Veolia ist Xylem ein globaler Marktführer in der Wasseraufbereitung, Abwasserbehandlung und Entsalzung. Das Unternehmen beschäftigt mehr als 23.000 Mitarbeitende (davon über 6.000 Ingenieure) und ist in 150 Ländern tätig, mit Schwerpunkt auf den USA und über 35.000 direkten Industriekunden.

Der Hauptmarkt ist die kommunale Trink- und Abwasserwirtschaft, aber es bietet auch spezialisierte Lösungen für andere Sektoren wie Gesundheitswesen, Energie, Lebensmittel & Getränke, Öl & Gas, Mikroelektronik usw.

Quelle: Xylem

Xylem kann die kritischen patentierten Geräte zur Reinigung oder Erzeugung von Wasser bereitstellen, wie Ozon‑Generatoren, UV‑Lampen, Entsalzungsmembranen, Ultra‑Rein‑Wasser‑Generatoren usw. Darüber hinaus bietet es „einfachere“ Geräte, die ebenfalls für wasserbezogene Prozesse wichtig sind, wie Turbinen, Pumpen, Rohrleitungen, Injektion, Software usw., sowie Wartungs‑, Reparatur‑ und Installationsdienste.

Quelle: Xylem

Der Wassermarkt ist nach wie vor sehr fragmentiert, wobei Xylem eines der größten Unternehmen im Sektor ist, aber dennoch nur einen Marktanteil von „nur“ 10 % des adressierbaren Marktes von 80 Mrd. $ hält.

Das Unternehmen investiert etwa 4 % seines Umsatzes in Forschung und Entwicklung. Es sollte von neuen Vorschriften bezüglich PFAS (Per‑ und polyfluoralkylierte Substanzen, oder „Forever Chemicals“) profitieren, wobei über 6.000 Versorgungsbetriebe eine solche PFAS‑Behandlung benötigen.

Xylem wächst stetig, wobei das Nettoergebnis von 297 Mio. $ im Jahr 2012 auf 609 Mio. $ im Jahr 2023 gestiegen ist, bei einer stabilen EBITDA‑Marge von 17‑219 %.

Insgesamt macht dies das Investitionsprofil des Unternehmens weniger dem eines Industrieunternehmens (oft zyklisch) ähnlich und eher dem eines Versorgungsunternehmens, das mit der Gesamtwirtschaft wächst oder etwas darüber liegt, wie die meisten seiner Kunden.

Studienreferenz:

^{1. Ikegawa, D., Fukatsu, A., Okada, K., & Takahashi, M. (2024). Flüssigkeits‑Polyether‑basierter Wasserernter für den Betrieb bei nahezu Umgebungstemperatur über hydrophilie‑Differenz‑induzierte Wasserübertragung. ACS ES&T Water. https://doi.org/10.1021/acsestwater.4c00775}