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 frischem Wasser selten ein Problem. Allerdings ist die Realität, dass es weltweit viele bewohnte und trockene Regionen gibt, in denen frisches Wasser ein Luxus ist. Glücklicherweise gibt es bereits Lösungen, um dieses Problem anzugehen – wie atmosphärische Wassersammler (AWH)

In einer jüngsten Durchbruch haben Forscher einen potenziell revolutionären atmosphärischen Wassersammler entwickelt, der solarbetriebene passive Adsorptions-Technologie nutzt. Der Kern dieser Innovation liegt in der Verwendung neu entwickelter “Super-Hygroscopischer poröser Gele”. Diese bestehen aus Titan-Nitrid, Hydroxypropyl-Methylcellulose und LiCl (THL) und haben außergewöhnliche Wasseraufnahmefähigkeiten über einen weiten Bereich von Feuchtigkeitsgraden (15%–90% RH) gezeigt. Die einzigartige Kombination von Materialien ermöglicht eine schnelle Adsorption und Desorptionskinetik (die Rate, mit der eine zuvor adsorbierte Substanz freigesetzt wird), was die Effizienz bei der Verwendung in atmosphärischen Wassersammlern erheblich verbessert.

Die Studie, die den oben genannten Durchbruch veröffentlichte, unterstreicht die Fähigkeit des Geräts, hohe Wasserausbeuten zu erzielen, sogar in trockenen Umgebungen, und seine praktische Anwendung wurde bereits durch Outdoor-Tests in verschiedenen Jahreszeiten validiert.

Diese AWH-Technologie, die einen nachhaltigen und effektiven Ansatz zur Bewältigung des Wassermangels in trockenen Regionen darstellt, ist im Vergleich zu anderen solarbetriebenen Wassersammlungssystemen sehr vielversprechend und entspricht wichtigen WHO-Standards für Trinkwasser.

Atmosphärische Wassersammler

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

Wie der Name schon vermuten lässt, ist ein Atmosphärischer Wassersammler (AWH) ein Gerät, das dazu entwickelt wurde, Wasser aus der Luft zu extrahieren. Diese Geräte sind besonders wertvoll in trockenen Regionen, in denen herkömmliche Wasservorräte knapp oder kontaminiert sind. Die Technologie hinter bestehenden AWHs variiert, aber sie dreht sich im Allgemeinen um die Aufnahme von Wasserdampf aus der Luft und die Kondensation in flüssiges Wasser.

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

1. Luftaufnahme: Luft wird mithilfe eines Ventilators in das System gezogen.
2. Kühlung und Kondensation: Die feuchte Luft wird dann unter ihren Taupunkt abgekühlt, oft mithilfe eines gekühlten oder Peltier-gekühlten Kondensators, was dazu führt, dass der Wasserdampf in Tropfen kondensiert.
3. Wassersammlung: Das kondensierte Wasser wird in einem Reservoir gesammelt, gefiltert und manchmal mineralisiert, um den Geschmack zu verbessern.
4. Verteilung: Schließlich wird das Wasser entweder für den späteren Gebrauch gespeichert oder direkt für den sofortigen Verbrauch verteilt.

AWH-Systeme können in ihrer Größe variieren, von kleinen, portablen Einheiten, die für den Einzel- oder Haushaltsgebrauch geeignet sind, bis hin zu großen, industriellen Anlagen. Die Effizienz dieser Systeme hängt größtenteils von der Umgebungsfeuchtigkeit und Temperatur ab; höhere Feuchtigkeitsgrade führen typischerweise zu höheren Wasserausbeuten – was der Grund ist, warum jede Steigerung der Effizienz in trockenen Umgebungen willkommen ist, wie die, die durch die Verwendung neuer superhygroskopischer poröser Gele angeboten wird.

Aufgrund ihrer Fähigkeit, in ihrer Größe zu variieren, werden AWHs häufig in verschiedenen Umgebungen eingesetzt:

Trockene und von Dürren betroffene Gebiete: Sie bieten eine kritische Quelle für sauberes Trinkwasser in Regionen, in denen Wasser knapp ist.

Militärische Anwendungen: Portable AWH-Einheiten sind nützlich, um Wasser für Truppen in abgelegenen Gebieten bereitzustellen.

Entlegene Gemeinschaften und Nothilfe: Sie bieten eine sofortige Quelle für Trinkwasser in entlegenen Gemeinschaften oder während Naturkatastrophen, wenn herkömmliche Wasservorräte nicht verfügbar oder kontaminiert sind.

Landwirtschaft: Einige AWH-Systeme werden für die Bewässerung in trockenen Regionen verwendet.

Die Fortschritte in der AWH-Technologie, die superhygroskopische poröse Gele und MOFs (Metall-Organische Gerüste) einbeziehen, sind darauf vorbereitet, traditionelle Kühlsysteme zu verbessern und bieten die Fähigkeit, Wasserdampf bei viel geringerem Energieaufwand zu absorbieren. Diese Innovationen sollten AWHs effizienter und in einer breiteren Palette von Klimabedingungen einsetzbar machen.

Frische Wasservorräte

Der größte Teil des frischen Wassers der Welt befindet sich in Gletschern und Eisschilden, was etwa 69% der globalen Süßwasservorräte ausmacht. Diese befinden sich hauptsächlich in den Polargebieten und in hochgelegenen Gebieten wie der Antarktis, Grönland und verschiedenen Gebirgszügen weltweit. Die nächstgrößten Reserven an Süßwasser sind Grundwasservorräte, die etwa 30% des Gesamts ausmachen. Nur ein kleiner Bruchteil (weniger als 1%) des globalen Süßwassers ist in Flüssen, Seen und der Atmosphäre verfügbar.

In Regionen, in denen atmosphärische Wassersammler (AWHs) erforderlich sind, ist sauberes Wasser oft schwer zu finden, weil:

Trockene Klimazonen: Viele Regionen, in denen AWHs benötigt werden, sind trocken oder halbtrocken mit geringen Niederschlägen. Dazu gehören weite Teile Afrikas, des Nahen Ostens, Teile Südamerikas, Zentralasiens und Australiens.

Grundwasserabsenkung und -kontamination: Die Übernutzung von Grundwasser für die Landwirtschaft und die Trinkwasserversorgung, verbunden mit unzureichender Auffüllung, führt zu einer Absenkung. Darüber hinaus kann Grundwasser durch natürliche und vom Menschen verursachte Schadstoffe kontaminiert werden, was es ungenießbar macht.

Mangelnde 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 verschlimmert.

Klimawandel: Veränderungen in den Klimamustern beeinflussen herkömmliche Wasservorräte. Einige Regionen erleben anhaltende Dürren, während andere das Abschmelzen von Gletschern erleben, was die langfristige Wasserverfügbarkeit beeinträchtigt.

Überbevölkerung und Urbanisierung: In dicht besiedelten oder schnell urbanisierten Gebieten können die bestehenden Wasservorräte unzureichend sein, um die Nachfrage zu decken. Darüber hinaus führt die Urbanisierung oft zu einer Verschmutzung der verfügbaren Wasservorräte.

Politische und wirtschaftliche Herausforderungen: In einigen Fällen werden die Verwaltung und Verteilung von Wasservorräten durch politische und wirtschaftliche Probleme beeinflusst, was zu einer ungleichen Zugangsmöglichkeit zu Wasser führt.

AWHs bieten eine Alternative, indem sie Wasser aus der Luft extrahieren, was in Gebieten, in denen andere Quellen nicht vorhanden, unzureichend oder unsicher sind, eine gangbare Lösung sein kann. Diese Technologie ist besonders wertvoll in Regionen, in denen die Luft feucht ist, aber der Niederschlag gering ist, was herkömmliche Wasservorräte unzuverlässig macht.

Aktuelle Lösungen

Es gibt bereits verschiedene Technologien, die mit atmosphärischen Wassersammlern (AWHs) konkurrieren oder diese ergänzen, um frisches Wasser in Gebieten zu erzeugen, in denen Wasserknappheit ein erhebliches Problem darstellt. Jede dieser Lösungen hat jedoch ihre eigenen Vor- und Nachteile. Einige der bemerkenswerteren alternativen Lösungen umfassen,

Entsalzung: Dies ist eine der prominentesten Methoden zur Erzeugung von frischem Wasser aus Meerwasser oder Brackwasser. Entsalzungsanlagen nutzen hauptsächlich zwei Technologien: Umkehrosmose, die Wasser durch eine halbdurchlässige Membran filtert, und thermische Entsalzung, die das Erhitzen und Verdampfen von Wasser und das anschließende Kondensieren des Dampfes beinhaltet. Entsalzungsanlagen sind besonders in trockenen Regionen wie dem Nahen Osten verbreitet. Obwohl sie effektiv sind, sind Entsalzungsanstrengungen typischerweise teuer und erfordern eine große Menge an Energie.

Wasseraufbereitung und -wiederverwendung: Fortgeschrittene Wasseraufbereitungstechnologien ermöglichen die Wiederverwendung von Abwasser in Trinkwasser. Dazu gehören die Behandlung von Abwasser, industriellen und landwirtschaftlichen Abwässern. Wiederverwendetes Wasser kann für verschiedene Zwecke eingesetzt werden, wie z.B. Bewässerung, industrielle Prozesse und die Auffüllung von Süßwasservorräten. Dieser Ansatz erfordert typischerweise große Anlagen und hohe Betriebskosten.

Regenwassersammlung: Dies ist eine einfachere und traditionellere Methode, Regenwasser zu sammeln und für später zu speichern. Regenwassersammlungssysteme erfassen Wasser von Dächern oder anderen Oberflächen und speichern es in Tanks. Obwohl sie weniger technisch fortschrittlich sind als AWHs, ist dies eine nachhaltige Möglichkeit, Wasservorräte zu ergänzen, insbesondere in Regionen mit saisonalem Niederschlag. Da diese Methode von Niederschlag abhängt, ist sie nicht so zuverlässig wie einige andere Ansätze. Es gibt auch keine Garantie, dass das gesammelte Wasser nicht weiter aufbereitet werden muss, um es sicher für den Verzehr zu machen.

Nebelwassersammlung: Ähnlich wie AWHs sammeln Nebelwassersammler Wasser aus der Atmosphäre. Sie nutzen große Maschennetze, um Wassertropfen in Nebel zu fangen, die dann in Sammeltanks tropfen. Diese Methode ist in küstennahen oder gebirgigen Gebieten geeignet, in denen Nebel häufig vorkommt.

Grundwasserneubildung: Dies beinhaltet die Ableitung von Regenwasser oder aufbereitetem Wasser in den Boden, um Aquifere aufzufüllen. Zu den Techniken gehören der Bau von Aufladungsbecken, Infiltrationsbecken und die Verwendung von durchlässigen Pflastersteinen. Es handelt sich um eine Methode, um eine nachhaltige Grundwasserversorgung zu gewährleisten, die in vielen Regionen eine wichtige Quelle für Süßwasser darstellt.

Solares Destillationsgerät: Eine einfache Technologie, bei der Solarenergie verwendet wird, um kontaminiertes oder Salzwasser zu verdampfen, und das Kondensat als destilliertes Wasser gesammelt wird. Diese Methode ist für kleine Anwendungen geeignet und besonders nützlich in abgelegenen Gebieten mit reichlich Sonneneinstrahlung.

Jede dieser Technologien hat ihre Anwendungsnischen basierend auf geografischen, klimatischen und wirtschaftlichen Überlegungen. In vielen Fällen wird eine Kombination dieser Technologien eingesetzt, um eine zuverlässige und nachhaltige Wasserversorgung zu gewährleisten.