Ultraschalltechnologie steigert die Effizienz der atmosphärischen Wassergewinnung

Sauberes Wasser aus dünner Luft: Grundlagen der atmosphärischen Wassergewinnung

In vielen Regionen der Welt ist Süßwasser ein kostbares Gut. Eine mögliche Zugangsmöglichkeit könnte die Entsalzung sein, aber bisher ist dies ein sehr energieintensiver Ansatz, auch wenn jüngste Fortschritte in der Solartechnologie sie näher an die Realität gebracht haben.

Die Meerwasserentsalzung ist auch für viele trockene Binnenregionen 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 gewinnen. 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 passive Kühlung kombiniert mit einer Siliziumbeschichtung die Effizienz der gravitätsbasierten Wassergewinnung steigern kann und wie neue Adsorptionspolymere ebenfalls helfen könnten.

Forscher suchen nun nach weiteren Verbesserungen bei der Gewinnung von atmosphärischer Feuchtigkeit, was uns der Science‑Fiction‑Wassergewinnung „Windfalle“ aus dem Dune‑Universum näherbringt.

Ein MIT‑Team, in Zusammenarbeit mit dem deutschen Unternehmen SmarAct Metrology GmbH & Co. KG, hat Ultraschall eingesetzt, um die Effizienz der atmosphärischen Wasseradsorption zu steigern. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in Nature Communications¹ unter dem Titel „High-efficiency atmospheric water harvesting enabled by ultrasonic extraction“.

Atmosphärische Wasseradsorption erklärt

Eine Methode, Wasser aus der Luft zu gewinnen, besteht darin, ein Polymer zu verwenden, das Wasser „adsorbiert“.

Adsorption ist die Fähigkeit fester Stoffe, sogenannte „Sorbentien“, Moleküle von Gasen oder Lösungen an ihrer Oberfläche anzuziehen – in diesem Fall gasförmige Wasserdampfe und in der Luft suspendierte Wassertröpfchen.

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

Quelle: Osaka Metropolitan University

Das Problem besteht darin, das Polymer das Wasser freigeben zu lassen. In der Regel ist eine Temperatur von etwa 100 °C erforderlich, um diese Polymere zu desorbieren, was natürlich sehr energieineffizient und kostspielig ist.

“Jedes Material, das Wasser sehr gut aufnehmen kann, will es nicht wieder abgeben. Daher muss man viel Energie und wertvolle Stunden aufwenden, um das Wasser aus dem Material zu ziehen.”
Svetlana Boriskina, -Principal research scientist

Selbst bei niedrigeren Temperaturen mit neueren Polymeren besteht das Problem, dass die Wasserfreisetzung mittels Wärme ein langsamer Prozess ist, der zehn Minuten oder Stunden dauert. Infolgedessen müssen die meisten Wasseradsorptionssysteme das Wasser nachts aufnehmen und es tagsüber mit der Sonnenwärme freisetzen.

Im Gegensatz dazu könnte die Verwendung von Ultraschall die Wassergewinnungszeit auf nur wenige Minuten verkürzen und nach Bedarf erfolgen.

Potenzial von Ultraschall

Ultraschall oder Ultraschallwellen sind akustische Druckwellen, die mit Frequenzen von über 20 Kilohertz (20.000 Zyklen pro Sekunde) reisen. Sie werden zunehmend für fortschrittliche Anwendungen eingesetzt, wie Bioprinting und die Stromversorgung entfernter medizinischer Geräte.

Es scheint, dass Ultraschall mit genau der richtigen Frequenz vibriert, um die Trennung der Wassermoleküle vom absorbierenden Material zu bewirken.

Quelle: Nature Communications

Die Forscher entwickelten einen flachen Keramikkreis aus Bleizirkonat‑Titanat (PZT), der bei angelegter Spannung vibriert.

“Es ist, als würde das Wasser mit den Wellen tanzen, und diese gezielte Störung erzeugt Impuls, der die Wassermoleküle freisetzt, und wir können sehen, wie sie in Tröpfchen herausgeschüttelt werden.”
Svetlana Boriskina, -Principal research scientist

Um das Wasser zu adsorbieren, verwendeten sie mehrere Arten von PAM‑LiCl‑AWH‑Hydrogelen mit unterschiedlicher Elastizität, die alle Lithium‑ und Chloridionen enthielten, um das Wasser aus der Luft zu fangen.

Quelle: Nature Communications

Im Test konnte das Gerät genug Wasser herausschütteln, um jede Probe in nur wenigen Minuten zu trocknen.

Die Untersuchung der Hydrogele mit einem Elektronenmikroskop zeigte zudem, dass der Ultraschall das Gel nicht beschädigte, wodurch das Gerät für den praktischen Einsatz ausreichend robust ist.

Quelle: Nature Communications

Massive Effizienzsteigerung

Da bisher die wärmegetriebene Wasserfreisetzung nur einmal erfolgte, war die Effizienz des Prozesses sehr gering, selbst das modernste Gerät erreichte nur 9,5 % Effizienz.

Im Gegensatz dazu kann das MIT‑System tagsüber wiederholt Wasser produzieren, was zu einer Effizienz von bis zu 428 % führt, also einer 45‑fachen Steigerung.

“Es geht darum, wie viel Wasser man pro Tag extrahieren kann”, sagt sie. “Mit Ultraschall können wir Wasser schnell zurückgewinnen und immer wieder zirkulieren lassen. Das kann sich pro Tag zu einer großen Menge summieren.”
Svetlana Boriskina, -Principal research scientist

Obwohl das Gerät etwas Energie in Form von Wärme (Joule‑Effekt) verschwendet, ist es dennoch bei weitem effizienter als alle bisher entwickelten Wassergewinnungsmethoden.

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“Die Menschen haben nach Möglichkeiten gesucht, Wasser aus der Atmosphäre zu gewinnen, was eine große Wasserquelle sein könnte, insbesondere für Wüstenregionen und Orte, an denen nicht einmal Salzwasser zur Entsalzung vorhanden ist.

Jetzt haben wir eine Möglichkeit, Wasser schnell und effizient zurückzugewinnen.”
Svetlana Boriskina, -Principal research scientist

Einsatz in der Praxis in trockenen und abgelegenen Regionen

Zunächst wird die beste Anwendung dieses Geräts für abgelegene Wüstengebiete sein, die nur begrenzten Zugang zu Energie und Frischwasserinfrastruktur haben.

Im Gegensatz zur wärmebasierten Adsorption benötigt dieses Gerät jedoch elektrische Energie, um die Ultraschalle zu erzeugen, sodass eine dezentrale Energieerzeugung erforderlich ist, entweder mit:

• Solarmodule wie in den MIT‑Experimenten.
• Wind, der nachts arbeiten könnte, wenn die Feuchtigkeit noch höher ist, wodurch mehr 2‑Minuten‑Wassergewinnungszyklen pro Stunde möglich sind.
• Erneuerbarer Energieerzeugung + Batteriesysteme für einen 24/7‑Betrieb.

Bei Tests zur idealen Zyklusfrequenz stellten die Forscher fest, dass das ideale Rhythmus darin besteht, das Material 1 Stunde lang Wasser aufnehmen zu lassen, dann Ultraschall zu verwenden, um es in 2 Minuten freizusetzen, und den Zyklus zu wiederholen.

Wichtiger ist, dass die für die Wasserextraktion mit Ultraschall benötigte Energie konstant blieb, im Gegensatz zu dem langsamen Rückgang bei wärmebasierten Methoden.

Quelle: Nature Communications

Zukünftige Verbesserungen der atmosphärischen Wassergewinnung

Sorbentmaterialien der nächsten Generation

Diese Methode verwendete Lithium‑Hydrogele, aber es gibt viele andere Sorbentmaterialien: weitere Hydrogele, Metall‑organische Gerüste, Mikro‑ und Nanofasermatten sowie Kombinationen dieser Materialien.

Jedes muss neu bewertet und neu entwickelt werden, um seine Kompatibilität mit der alternativen Extraktionsmethode zu verbessern.

Die Abbaubeständigkeit dieser anderen Sorbentien muss ebenfalls bewertet werden.

Verbesserung der Ultraschalleffizienz

Da die NASA Tests an PZT‑Aktuatoren durchgeführt hat, die bis zu 100 Milliarden Zyklen über 580 Tage umfassen und keine erkennbare Beschädigung oder wesentlichen Leistungsabfall zeigten, wird erwartet, dass der ultraschallgenerierende Teil des Geräts äußerst langlebig ist.

Allerdings ist das in diesem Experiment verwendete Design relativ ineffizient bei der Umwandlung von Energie in Ultraschall, mit nur 17 bis 19 % Effizienz.

Ein 1‑3‑Verbund‑piezoelektrisches Transducer‑Array‑Gerät, anstelle eines einzelnen ringförmigen Aktuators, könnte stattdessen eine Effizienz von bis zu 35 % erreichen.

Größerer, PZT‑basierter Ultraschall könnte ebenfalls deutlich effizienter sein als das hier getestete kleine Versuchsgerät. Insgesamt könnten bei Kalibrierung und Verbesserung des verwendeten PZT‑Materials Effizienzen von 1.000 % oder mehr erreichbar sein.

Hin zu wassererzeugenden Türmen?

Eine weitere wichtige Verbesserung besteht darin, dass die Ultraschallextraktion nicht erfordert, dass die Sorbentoberfläche dem Sonnenlicht ausgesetzt wird. Daher können die Geräte vertikal übereinander gestapelt werden, ohne prinzipiell eine Begrenzung der Anzahl vertikaler Reihen.

Anstelle eines großflächigen Feldes zur Sonnenlichtabsorption könnten große Türme gebaut werden, die Wasser aus jedem gestapelten Gerät leiten, um zentralere Designs zu ermöglichen.

Unternehmen, die Wasserknappheit lösen

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

Sein Hauptmarkt ist die kommunale Trink‑ und Abwasserversorgung, aber es bietet auch wasserbezogene 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 Ozonanlagen, UV‑Lampen, Entsalzungsmembranen, Ultra‑rein‑Wasser‑Generatoren usw.

Aber es liefert auch „einfachere“ Geräte, die für wasserbezogene Vorgänge ebenso wichtig sind, wie Turbinen, Pumpen, Rohrleitungen, Injektion, Software usw., sowie Wartungs-, Reparatur- und Installationsdienste, wodurch es ein One‑Stop‑Shop für die meisten Wasseranwendungen ist.

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 % seines 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 polyfluoralkylsubstanzen, oder „Forever Chemicals“) profitieren, wobei über 6.000 Versorgungsbetriebe eine solche PFAS‑Behandlung benötigen.

Xylem wächst stetig, wobei der Nettogewinn von 297 Mio. $ im Jahr 2012 auf 609 Mio. $ im Jahr 2023 gestiegen ist, bei einer stabilen EBITDA‑Marge von 17‑19 %.

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

Neueste Xylem (XYL) Aktiennachrichten und Entwicklungen

Studie zitiert

^{1. Shuvo, I.I., Díaz-Marín, C.D., Christen, M. et al. Hocheffiziente atmosphärische Wassergewinnung ermöglicht durch Ultraschallextraktion. Nature Communications 16, 9947 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-65586-2}