Solarenergie kann mehr als saubere Energie liefern – sie kann sauberes Wasser in trockenen Regionen erzeugen

In Ländern wie Kanada und Brasilien ist der Zugang zu Frischwasser selten ein Problem.  Die Realität ist jedoch, dass es weltweit zahlreiche bevölkerte und trockene Regionen gibt, in denen Frischwasser ein Luxus ist.  Glücklicherweise gibt es bereits Lösungen, die existieren und entwickelt werden, um dieses Problem anzugehen – wie atmosphärische Wasserernter (AWH)

In einem jüngsten Durchbruch haben Forscher einen potenziell revolutionären atmosphärischen Wasserernter entwickelt, der solarbetriebene passive Adsorptions‑Technologie nutzt.  Das Kernstück dieser Innovation liegt in der Verwendung neu entwickelter „superhygroskopischer poröser Gele“.  Diese bestehen aus Titannitrid, Hydroxypropyl‑Methylcellulose und LiCl (THL) und haben außergewöhnliche Wasseradsorptionskapazitäten über ein breites Feuchtigkeitsintervall (15 %–90 % RH) gezeigt.  Die einzigartige Materialkombination soll schnelle Adsorptions‑ und Desorptionskinetik (die Rate, mit der ein zuvor adsorbierter Stoff freigesetzt wird) ermöglichen und damit die Effizienz bei der Nutzung in atmosphärischen Wassererntern erheblich steigern.

Die Studie veröffentlicht, die den genannten Durchbruch detailliert, unterstreicht die Fähigkeit des Geräts, selbst in trockenen Umgebungen hohe Wassererträge zu erzielen, wobei die praktische Anwendung bereits durch Außentests in verschiedenen Jahreszeiten validiert wurde.

Dieses AWH‑Technologie‑Konzept, das einen nachhaltigen und effektiven Ansatz zur Minderung von Wasserknappheit in trockenen Regionen bietet, schneidet im Vergleich zu anderen solarbetriebenen Wassergewinnungssystemen gut ab und erfüllt zudem die WHO‑Standards für Trinkwasser.

Atmosphärische Wasserernter

Also, ein neues hygroskopisches poröses Gel wurde entwickelt, das die Effizienz und Wirksamkeit von AWHs weltweit steigern soll.  Das ist großartig, aber wie funktionieren diese Geräte tatsächlich?

Wie der Name schon sagt, ist ein Atmospheric Water Harvester (AWH) ein Gerät, das dazu konzipiert ist, Wasser aus der Luft zu extrahieren. Diese Geräte sind besonders wertvoll in trockenen Regionen, wo konventionelle Wasserquellen knapp oder kontaminiert sind. Die Technologie hinter bestehenden AWHs variiert, dreht sich jedoch im Allgemeinen um das Einfangen von Wasserdampf aus der Luft und dessen Kondensation zu flüssigem Wasser.

Das gängigste Design von AWH‑Systemen basiert auf dem Prinzip der Kondensation, ähnlich wie Tau entsteht. Dieses Design umfasst typischerweise:

1. Lufteinlass: Luft wird mittels eines Ventilators in das System gezogen.
2. Kühlung und Kondensation: Die feuchte Luft wird dann unter ihren Taupunkt abgekühlt, oft mithilfe eines gekühlten Kondensators, der mit einem Peltier-Element betrieben wird, wodurch der Wasserdampf zu Tropfen kondensiert.
3. Wassersammlung: Das kondensierte Wasser wird in einem Reservoir gesammelt, gefiltert und manchmal zur Geschmacksverbesserung mineralisiert.
4. Verteilung: Schließlich wird das Wasser entweder für die spätere Nutzung gespeichert oder direkt für den sofortigen Verbrauch geleitet.

AWH‑Systeme können in der Größe von kleinen, tragbaren Einheiten für den individuellen oder häuslichen Gebrauch bis hin zu großen, industriellen Installationen variieren. Die Effizienz dieser Systeme hängt stark von der Umgebungsluftfeuchtigkeit und -temperatur ab; höhere Luftfeuchtigkeitswerte führen typischerweise zu höheren Wassererträgen – weshalb jede Effizienzsteigerung in trockenen Umgebungen willkommen ist, wie sie durch den Einsatz neuer superhygroskopischer poröser Gele ermöglicht wird.

Mit ihrer Skalierbarkeit werden AWHs häufig in verschiedenen Einsatzbereichen verwendet:

Aride und dürregefährdete Gebiete: Sie bieten eine kritische Quelle für sauberes Trinkwasser in Regionen, in denen Wasser knapp ist.

Militärische Anwendungen: Tragbare AWH‑Einheiten sind nützlich, um Truppen in abgelegenen Gebieten mit Wasser zu versorgen.

Entfernte Gemeinschaften und Notfallhilfe: Sie bieten eine sofortige Trinkwasserquelle in abgelegenen Gemeinden oder bei Naturkatastrophen, wenn traditionelle Wasserquellen nicht verfügbar oder kontaminiert sind.

Landwirtschaft: Einige AWH‑Systeme werden zur Bewässerung in trockenen Regionen eingesetzt.

Die Fortschritte in der AWH‑Technologie, die superhygroskopische poröse Gele und MOFs (Metal‑Organic Frameworks) einbeziehen, stehen bereit, traditionelle kältebasierte Systeme zu verbessern, indem sie die Möglichkeit bieten, Wasserdampf bei deutlich geringerem Energieaufwand zu absorbieren. Diese Innovationen sollten AWHs effizienter und in einem breiteren Spektrum von Klimabedingungen praktikabler machen.

Frischwasserquellen

Der größte Teil des weltweiten Frischwassers befindet sich in Gletschern und Eiskappen und macht etwa 69 % der globalen Frischwasserressourcen aus. Diese liegen hauptsächlich in Polargebieten und Hochgebirgsregionen, wie der Antarktis, Grönland und verschiedenen Gebirgszügen weltweit. Die nächstgrößten Frischwasserspeicher sind Grundwasserquellen, die etwa 30 % des Gesamtvolumens ausmachen. Nur ein kleiner Bruchteil (weniger als 1 %) des weltweiten Frischwassers ist in Flüssen, Seen und der Atmosphäre zugänglich.

In Regionen, in denen atmosphärische Wasserernter (AWHs) benötigt werden, ist sauberes Wasser oft schwer zu finden aus mehreren Gründen:

Arides Klima: Viele Regionen mit Bedarf an AWHs sind arid oder semi‑arid mit geringer Niederschlagsmenge. Dazu gehören weite Teile Afrikas, des Nahen Ostens, Teile Südamerikas, Zentralasiens und Australiens.

Grundwasserverknappung und Kontamination: Übermäßige Nutzung von Grundwasser für Landwirtschaft und Trinkwasser, kombiniert mit unzureichender Wiederauffüllung, führt zu Verknappung. Zusätzlich kann Grundwasser durch natürliche und anthropogene Schadstoffe kontaminiert sein, was es für den Konsum unsicher macht.

Mangel an Infrastruktur: Viele abgelegene oder unterentwickelte Gebiete verfügen nicht über die Infrastruktur, um Wasser zu sammeln, zu behandeln und zu verteilen. Dies wird oft durch wirtschaftliche Einschränkungen verschärft.

Klimawandel: Veränderungen der Klimamuster beeinflussen traditionelle Wasserquellen. Einige Regionen erleben langanhaltende Dürreperioden, während andere das Abschmelzen von Gletschern erfahren, was die langfristige Wasserverfügbarkeit beeinträchtigt.

Überbevölkerung und Urbanisierung: In dicht besiedelten oder schnell urbanisierenden Gebieten können die bestehenden Wasserressourcen unzureichend sein, um die Nachfrage zu decken. Zudem führt Urbanisierung häufig zu einer Verschmutzung der verfügbaren Wasserquellen.

Politische und wirtschaftliche Herausforderungen: In manchen Fällen werden das Management und die Verteilung von Wasserressourcen durch politische und wirtschaftliche Probleme beeinflusst, was zu ungleichem Zugang zu Wasser führt.

AWHs bieten eine Alternative, indem sie Wasser aus der Luft extrahieren, was in Gebieten, in denen andere Quellen nicht existieren, unzureichend oder unsicher sind, eine praktikable Lösung darstellt. Diese Technologie ist besonders wertvoll in Regionen, in denen die Luft feucht, aber der Niederschlag gering ist, wodurch konventionelle Wasserquellen unzuverlässig werden.

Aktuelle Lösungen

Derzeit gibt es mehrere Technologien, die mit atmosphärischen Wassererntern (AWHs) konkurrieren oder diese ergänzen, um Trinkwasser zu erzeugen, insbesondere in Gebieten mit signifikanter Wasserknappheit.  Jede dieser Technologien bringt jedoch eigene Vor‑ und Nachteile mit sich.  Zu den bemerkenswertesten alternativen Lösungen gehören,

Entsalzung: Dies ist eine der prominentesten Methoden, um Süßwasser aus Meerwasser oder Brackwasser zu erzeugen. Entsalzung verwendet hauptsächlich zwei Technologien: Umkehrosmose, bei der Wasser durch eine halbdurchlässige Membran gefiltert wird, und thermische Entsalzung, bei der Wasser erhitzt, verdampft und der Dampf anschließend kondensiert wird.  Entsalzungsanlagen sind besonders häufig in trockenen Regionen wie dem Nahen Osten.  Während sie effektiv sind, sind Entsalzungsprojekte in der Regel teuer und benötigen viel Energie.

Wasserrecycling und -wiederverwendung: Fortschrittliche Wasseraufbereitungstechnologien ermöglichen das Recycling von Abwasser zu trinkbarem Wasser. Dies umfasst die Aufbereitung von Abwasser aus Haushalten, Industrie und Landwirtschaft.  Wiederaufbereitetes Wasser kann für verschiedene Zwecke genutzt werden, darunter Bewässerung, industrielle Prozesse und die Auffüllung von Trinkwasservorräten.  Dieser Ansatz erfordert in der Regel große Anlagen und erhöhte Betriebskosten.

Regenwassernutzung: Dies ist eine einfachere und traditionellere Methode, Regenwasser zu sammeln und für die spätere Nutzung zu speichern.  Regenwassersammelsysteme fangen Wasser von Dächern oder anderen Oberflächen auf und speichern es in Tanks.  Während diese Methode weniger technologisch fortgeschritten ist als AWHs, ist sie eine nachhaltige Möglichkeit, die Wasserversorgung zu ergänzen, besonders in Regionen mit saisonalen Niederschlägen.  Da diese Methode vom Regen abhängig ist, ist sie nicht so zuverlässig wie einige andere Ansätze.  Zudem gibt es keine Garantie, dass das gesammelte Wasser nicht weiter aufbereitet werden muss, um sicher für den Konsum zu sein.

Nebelernte: Ähnlich wie AWHs sammeln Nebelernter Wasser aus der Atmosphäre.  Sie verwenden große Maschinnetze, um Wassertröpfchen im Nebel zu fangen, die dann in Sammelbehälter tropfen.

Grundwasserauffüllung: Dabei wird Regenwasser oder aufbereitetes Wasser in den Boden geleitet, um Aquiferen wieder aufzufüllen.  Techniken umfassen den Bau von Auffüllbecken, Infiltrationsbecken und die Nutzung von durchlässigen Pflasterungen.  Es ist eine Methode, um nachhaltige Grundwasservorräte sicherzustellen, die in vielen Regionen eine Hauptquelle für Frischwasser darstellen.

Solar-Wasserdestillation: Eine einfache Technologie, bei der Solarenergie verwendet wird, um kontaminiertes oder salzhaltiges Wasser zu verdampfen, und das Kondensat als destilliertes Wasser gesammelt wird.  Diese Methode eignet sich eher für kleinskalige Anwendungen und ist besonders nützlich in abgelegenen Gebieten mit reichlich Sonneneinstrahlung.

Jede dieser Technologien hat ihre Anwendungsschwerpunkte, die von geografischen, klimatischen und wirtschaftlichen Überlegungen abhängen.  In vielen Fällen wird eine Kombination dieser Technologien eingesetzt, um eine zuverlässige und nachhaltige Wasserversorgung sicherzustellen.