Dampferzeugung mit Polymeren und Cellulosefasern
Ein hocheffizienter Dampferzeuger zur Reinigung und Entsalzung von Meerwasser kann aus billigen, natürlichen Materialien wie Cellulose gebaut werden. Das Verfahren eignet sich für Regionen ohne funktionierende Infrastruktur.
Der neue Dampferzeuger aus Cellulose und Polymeren.
Foto: Thor Balkhed/Universität Linköping
Schätzungen der Weltgesundheitsorganisation (WHO) zufolge wird im Jahr 2040 jedes 4. Kind in Regionen ohne sauberes Trinkwasser aufwachsen. In Küstengegenden ist die Entsalzung von Meerwasser möglich. Auch Abwasser kann in mehreren Schritten aufbereitet werden. Nicht alle Regionen haben aber ausreichende Kapazitäten, und Technologien sind teuer oder ineffizient.
Forscher der Universität Linköping, Schweden, haben sich auf die Suche nach Alternativen gemacht, die sich für einzelne Haushalte oder kleine Gemeinden eignen. So ist ein Dampferzeuger entstanden, um Wasser zu entsalzen und zu reinigen. Seine Energie bezieht er nur aus dem Sonnenlicht.
Neue Einsatzmöglichkeiten für die Aerogel-Technologie
Schon länger arbeitet Simone Fabiano mit innovativen Werkstoffen. Sie ist Leiterin der Gruppe Organische Nanoelektronik im Labor für Organische Elektronik an der Universität Linköping. Wenn Nanofasern aus Cellulose mit dem Polymer PEDOT:PSS in Wasser vermengt werden und man die Mischung unter Vakuum gefriertrocknet, hat das Material die gleiche Struktur wie ein Schwamm. Ein Aerogel ist entstanden. Bei PEDOT:PSS (Poly-3,4-ethylendioxythiophen) handelt es sich um ein Polymer auf Thiophenbasis. Es wird aus EDOT (3,4-Ethylendioxythiophen) und Oxidationsmitteln hergestellt.
Diese Polymertechnologie war Basis einer neuen Studie. Fabianos Dampferzeuger besteht aus einem Aerogel, das neben PEDOT:PSS noch Strukturen auf Cellulosebasis enthält. Das Polymer kann Energie aus Sonnenlicht gewinnen, nicht zuletzt aus dem infraroten Teil des Spektrums, über den ein Großteil der Sonnenwärme transportiert wird. „Eine zwei Millimeter dicke Schicht dieses Materials absorbiert 99 % der Energie im Sonnenspektrum“, sagt Fabiano. Gleichzeitig weist das Aerogel eine poröse Nanostruktur auf. Es bindet große Mengen an Wasser in seinen Poren. Das macht den Vorgang noch effizienter.
Ein poröser, thermisch isolierender Schaum befindet sich ebenfalls zwischen dem Wasser und dem Aerogel, sodass der Dampferzeuger über dem Wasser gehalten wird. Sinkt das Aerogel ab, wird keine Energie mehr übertragen, und der Vorgang kommt zum Erliegen. Die Wärme der Sonne verdampft das Wasser, während Salze oder – im Fall von Abwasser – sonstige, nicht flüchtige Stoffe zurückbleiben.
Gute Eigenschaften für den Alltagseinsatz
Erste Tests verliefen vielversprechend. „Die Geschwindigkeit der Dampferzeugung ist vier- bis fünfmal höher als die der direkten Wasserverdampfung, was bedeutet, dass wir mehr Wasser pro Zeiteinheit reinigen können“, sagt Fabiano. Dabei entstehe hochwertiges Trinkwasser.
Als weiteren Vorteil sieht sie die Stabilität an. Das Aerogel ist langlebig. Es kann direkt vor Ort in Salzwasser gereinigt und sofort eingesetzt werden. Außerdem sind alle Materialien umweltfreundlich. Die Forscher verwenden Nanocellulose und ein Polymer, das nur sehr geringe Auswirkungen auf die Umwelt und auf Menschen hat. Und das Aerogel besteht zu 90 % aus Luft.
„Wir hoffen und glauben, dass unsere Ergebnisse Millionen von Menschen helfen können, die keinen Zugang zu sauberem Wasser haben“, so Fabiano.
Das Projekt wurde hauptsächlich von der Knut- und Alice Wallenberg-Stiftung, dem Tail of the Sun-Projekt, dem schwedischen Forschungsrat und dem strategischen Forschungsbereich Advanced Functional Materials an der Universität Linköping finanziert.
Überführung in robuste Technologien
Im nächsten Schritt muss die Forschergruppe ihr Verfahren noch in eine robuste, praxistaugliche Technologie überführen. Bislang fanden alle Experimente im Labor statt. Ob sich Aerogel-basierte Verdampfer auch für Abwasser eignet, ist fraglich. Denn flüchtige Bestandteile, etwa Kohlenwasserstoffe, verflüchtigen sich ebenfalls leicht und kondensieren bei ähnlichem Siedepunkt zusammen mit dem Trinkwasser.
Die Idee, Wasser über Sonnenlicht zu destillieren und damit zu reinigen beziehungsweise zu entsalzen, ist nicht neu. Solare Verdampfungsanlagen gibt es in unterschiedlichen Größen. Sie haben aber einen Nachteil: Große Geräte mit hoher Kapazität sind für Menschen in Regionen ohne Wasserversorgung oft zu teuer. Und kleine, selbstgemachte Lösungen liefern keine ausreichenden Kapazitäten, um einen Haushalt zu versorgen.
Als Alternative wurden in den letzten Jahren Verfahren zur Filtration über Graphen oder Aktivkohle untersucht. Auch die Mikrofiltration über Cellulosefilter ist denkbar. Bei verunreinigtem Süßwasser gibt es Möglichkeiten der chemischen Aufbereitung. Die Technologien funktionieren gut. Man benötigt jedoch Verbrauchsmaterial, das vor Ort nur selten verfügbar ist.
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