TEIL C

Solare Wasserentsalzung (Fortsetzung 1)

 

Ebenfalls im Jahr 2008 gründen fünf Studenten einer Arbeitsgruppe der Leibniz-Universität Hannover (LUH) den gemeinnützigen Verein Green Desert e.V. (Green Desert – International Organisation e.V.), der sich zur Aufgabe macht, autarke, dezentrale sowie möglichst einfache, technische Lösungen im Bereich der Wasser-, Agrar- und Energieinfrastruktur zu entwickeln. Als Kooperationspartner hat der Verein dabei den Bremer Windkraftexperten Prof. Horst Crome.

Neben der Durchführung von Workshops zur Konstruktion von Windkraftanlagen, die als Wasserpumpen in ländlichen Gebieten südlich der Sahara eingesetzt werden sollen, baut der Verein drei Prototypen zur Entsalzung von Meerwasser mit Hilfe von Sonnenwärme. Die Details über die Entwicklung einer modularen, solaren Meerwasserentsalzungsanlage finden sich auf der Vereins-Homepage greendesert.eu.

Noch aktiver sind Studenten der Technischen Universität München (TUM), die gleichfalls 2008 zusammenfinden, um auf das Wasserproblem aufmerksam zu machen und vor allem junge Menschen dazu zu bewegen, sich der Lösung dieser Frage zu stellen.

Bereits beim 1. TUM Mehrwasser Wettbewerb 2009 – veranstaltet vom Lehrstuhl für Thermodynamik unter der Leitung von Dr.-Ing. Markus Spinnler und gemeinsam mit Studenten der Arbeitsgruppe TUSun – treten 15 Teams aus Schülern und Studenten gegeneinander an, um eine kostengünstige und energieautarke Meerwasserentsalzungsanlage zu entwickeln. Die selbst konstruierte kompakte Kleinanlage soll ohne Zufuhr fossiler Energie funktionieren, wenig kosten, einfach zu bedienen sein und möglichst viel Wasser in trinkbarer Qualität liefern.

Nach dem Finaltag des Konstruktionswettbewerbs Anfang August 2009 werden die drei Siegerteams bekanntgegeben. An erster Stelle steht das ‚Team Konzentrix‘ der Technikerschule Allgäu, das besonders in den Kriterien ‚produzierte Wassermenge‘ und ‚Kostenplanung‘ überzeugt, gefolgt vom ‚Team Turbine‘ des Ruperti-Gymnasiums in Mühldorf am Inn sowie vom ‚Team Nebelhorn‘, ebenfalls von der Technikerschule Allgäu. Insgesamt kommen während der sieben Stunden, die alle 14 Anlagen in Betrieb sind, 25 Liter Trinkwasser zusammen.

Im Folgejahr wird der Wettbewerb international ausgeschrieben, wobei Bewerbungen aus Deutschland, der Schweiz, Österreich und Spanien eingehen. Diesmal werden die 15 Teilnehmer der Endrunde am Tag des Wassers (22.03.2011) bekanntgegeben. Die Teams haben anschließend kapp vier Monate Zeit, ihre Konzepte umzusetzen, bevor die fertigen Anlagen Ende Juli 2011 auf dem Campus in Garching präsentiert und einer eingehenden technischen Prüfung unterzogen werden.

Darüber hinaus veranstaltet der Lehrstuhl parallel erstmals eine TUM DESAL Konferenz, bei der wissenschaftliche Beiträge zur Lösung der Trinkwasserproblematik vorgestellt und diskutiert werden. Unterstützt wird der Wettbewerb von dem Deutsche MeerwasserEntsalzung e.V. und dem Solarenergieförderverein Bayern e.V., Sponsoren sind die BASF SE, die fischer eco solutions GmbH, die Omya AG, das Solarzentrum Allgäu GmbH, die Stadtwerke München GmbH und die VA TECH WABAG GmbH.

Eine der Anlagen, die im Juli gezeigt werden, ist die von Steffen Kustermann an der Hochschule Kempten entwickelte Meerwasserentsalzung durch Ausfrieren. Dabei stellt ein kostengünstiges Photovoltaiksystem die elektrische Energie für eine kompakte Kompressionskältemaschine bereit, die gefiltertem Meerwasser die enthaltene Wärme solange entzieht, bis die Erstarrung einsetzt. Da die Salzlöslichkeit mit sinkender Temperatur abnimmt, scheidet sich das enthaltene Salz während des Prozesses aus.

Gewinner des TUM Mehrwasserwettbewerbs 2011 ist ein Team aus den Reihen der TUM unter dem Namen Steam, das mit Parabol–Solarkonzentratoren arbeitet, während das Kältesystem der Hochschule Kempten nur auf Platz 14 kommt.

Im August 2013 sind es Schüler des Thomas-Mann-Gymnasium München unter der Leitung des Biologen Florian Kretzler, die den Innovationspreis des Wettbewerbs im Rahmen der DeSal Challenge gewinnen, indem sie sie Salzwasserverdampfung im Solarbetrieb mit einer Ultraschall-Zerstäubung verbinden.

Um die einfallenden Sonnenstrahlen zu bündeln, wird eine hochreflektive Spiegelfolie eingesetzt. In dem Destillationsgefäß selbst befindet sich eine Ultraschall-Zerstäuberdüse, die das vorher erhitzte Salzwasser mit Hilfe eines Heißluftgebläses in Zirkulation bringt. Wegen der starken Oberflächenvergrößerung kommt im Vergleich zu gewöhnlichen Feuchtraum-Destillationsanlagen ein deutlich schnellerer und effizienter Verdunstungsvorgang zustande, so daß die Anlage pro Tag 70 Liter Wasser entsalzen kann.

Die Vierte TUM DeSal Challenge wird im Jahr 2015 ausgelobt, wobei die Konzeptideen bis Anfang Januar 2016 eingereicht werden können. Dieses Mal ist der Wettbewerb besonders international, wobei die Jury zwölf Teams aus Deutschland, dem Iran, Polen und Kroatien auswählt, ihre Prototypen zu bauen und vorzustellen. Die fertigen Prototypen werden Mitte Juni präsentiert und bewertet.

Diesmal sind die drei Gewinner des Wettbewerbs, die insgesamt 3.000 € erhalten, das ‚Team Helios‘ der TUM, das ‚Team Alavi‘ der Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University aus dem Iran und das ‚Team‘ Agribix, ebenfalls von der TUM. Damit scheint diese studentische Initiative allerdings ausgelaufen zu sein, denn nach 2016 sind keine weiteren Wettbewerbe mehr zu verzeichnen.

Zu den Beiträgen des Feel The Planet Earth 2008 Designwettbewerbs gehört auch das Projekt sWell, eine mobile, aufblasbare und solarbetriebene Filtrationseinheit, mit der Meerwasser in frisches Trinkwasser verwandelt werden kann. Durch seine Fähigkeit, auf dem Wasser zu schwimmen, bietet das System auch eine temporäre Zuflucht vor steigenden Fluten.

Leider konnte ich außer der Abbildung aus dem Wettbewerb bislang keine weiteren Informationen darüber finden – auch nicht, wer der eigentliche Initiator oder Designer des Projekts ist.

Seol-Hee Sohn, Seung-Hyun Yoon und Cheol-Yeon Cho sind die Designer eines Ocean Rescue genannten solaren Wasser-Entsalzers, der ebenfalls eine konische Form aufweist und speziell für Schiffbrüchige entwickelt worden ist.

Das erstmals im November 2008 gezeigte mehrteilige System soll von Rettungsinseln aus auf der Meeresoberfläche plaziert werden, um für Trinkwasser zu sorgen. Zusätzlich besitzt das Rettungsgerät ein Licht, um auch nachts Rettern seine Position zu signalisieren, während es tagsüber bunten Rauch ausstoßen kann, um über seinen Standort zu informieren. Bislang ist es allerdings bei dem reinen Design geblieben.

Eine ganze Rettungsinsel, bei der die solare Wasserentsalzung gleich mit eingebaut ist, heißt SeaKettle und stammt von der Design-Absolventin Kim Hoffman an der Academy of Art University in San Francisco. Sie gelangt damit in die Endrunde des James Dyson Award 2010.

Mit einer kleinen Pumpe wird Meerwasser in ein Reservoir im oberen Bereich der Insel gepumpt, wo der solare Verdunstungsvorgang und die anschließende Kondensation stattfinden, bei der pro Tag 3 Liter Trinkwasser entstehen. Auch in diesm Fall gibt es bislang keine Umsetzung.

Ein wahres Multitalent, das es ebenfalls bislang leider nur als Entwurf gibt, ist das Reborn Survival Kit des Designers Xue Zhichao, das im April 2009 in den Blogs präsentiert wird.

So unglaublich es klingt, aber das zusammengepackt leicht transportable, zylinderförmige Gerät kann wie ein ‚Transformer’ in einen Regenwasser-Sammler, eine solare Wasserdestille, einen Solarkocher, einen Dreifuß für Feuerstellen, einen Suchscheinwerfer oder in eine Satellitenschüssel verwandelt werden.

Auch wenn es bislang keine ausführlichen Leitungsdaten gibt, kann man diesem genialen Design nur die baldige Umsetzung wünschen.

Wie eine Ziehharmonika zusammen zu packen ist das sehr einfache C-Water System von Chao Gao, der sich im November 2010 mit diesem Entwurf am Incheon International Design Awards beteiligt.

Der Beschreibung zufolge kann das schlanke und kompakte Objekt auf jeder beliebigen ruhigen Wasseroberfläche schwimmen und die Sonne zur Entsalzung nutzen, wobei das frische Wasser in einem eigenen Behälterteil gesammelt wird. Mehr ist darüber allerdings nicht zu erfahren.

Auch der Designer Joseph R. Kasper aus Kendall Park, New Jersey, zeigt Ende 2010 den Entwurf eines innovativen Solar-Destillators, der in südlichen Ländern salziges oder verschmutztes Wasser reinigen kann.

Die Benutzer müssen das vorhandene Wasser in einen großen Behälter am Boden einfüllen, und es dann der Solarenergie überlassen, dieses durch Verdampfung und Kondensation zu reinigen. Das gefilterte Wasser wird in einen kleinen Behälter gespeichert, der abnehmbar ist, wenn man seinen Durst stillen möchte.

Mitte 2011 taucht das Design unter dem Namen Haitian Desal-A-Nation erneut in den Fachblogs auf, da es sich besonders für Katastrophenopfer auf Inseln eignen würde um diesen eine Grundversorgung mit sauberem und desinfiziertem Trinkwasser zu garantieren.

Im Januar 2011 publiziert die Fachpresse den Bericht eines Forscherteams um Xuming Zhang und Helen Chan von der Hong Kong Polytechnic University, das die Photokatalyse mit der Mikrofluidik, einem recht neuen Feld der Optofluidik, kombiniert hat. Die beiden Technologien sind parallel entwickelt worden, doch dies scheint der erste Versuch zu sein, die natürliche Synergie zwischen ihnen zu nutzen. Die Ergebnisse zeigen eine dramatische Verbesserung der Effizienz der Photokatalysatoren.

Wenn Schmutzwasser mit Titandioxid und Sonnenlicht in Verbindung kommt, setzt das Oxid Elektronen frei, die die Verschmutzungen in harmlose Substanzen aufbrechen und so das Wasser langsam säubern. Ich berichte darüber ausführlich im Kapitelteil über die solare Photokatalyse.

Mit der Entwicklung der Hongkonger Forscher, die das Wasser durch winzige Kanäle zwischen zwei mit Titandioxid beschichteten Glasplatten schicken, geht dies nun wesentlich schneller. Da durch die Mikrokanäle eine sehr große Oxidoberfläche zur Verfügung steht, können die Schmutzpartikel hundert Mal effizienter zerstört werden.

Der planare Optofluidik-Mikroreaktor des Teams ist 5,0 x 1,8 cm groß, bei einer Höhe von 0,1 mm, und durch den Polymerklebstoff NOA81 versiegelt. Die Mikrokanäle selbst, die sich in dieser Kammer wie Äste verzweigen, sind nur 50 Mikrometer hoch. Die Forscher wollen ihre Vorrichtung nun auf bis zu 2 m² vergrößern und dann bis zu 1.000 Liter pro Stunde hindurchschicken.

Im September 2014 berichtet das Team, daß der Mikroreaktor es ermöglicht, sowohl die Licht- als auch die Wärmeenergie der Lichtquelle gleichzeitig zu nutzen. Darüber hinaus zeigt er eine signifikante Photodegradation mit einer Reaktionszeit von etwa 10 Sekunden, was viel kürzer ist als die üblicherweise erforderlichen mehreren Stunden.

Im August 2011 stellen die Fachblogs das Design einer innovativen solarbetriebenen Entsalzungsanlage von Phil Pauley aus London vor, die den Namen Solar Cucumber trägt. Die Idee ist, wasserarmen Gemeinden in Küstenregionen dabei zu helfen, Meerwasser direkt an der Quelle in trinkbares Süßwasser umzuwandeln, anstatt kilometerweit vom Ort des Mangels entfernt.

Von Pauley stammen übrigens auch der kurz darauf präsentierte Entwurf hybrider Solar- und Wellenenergie-Generatoren, die im Kapitelteil Schwimmende Solaranlagen vorgestellt werden – sowie das Konzept ,Sub Biosphere 2’, ein Unterwasser-Habitat für Aquanauten, Touristen und Wissenschaftler, das innerhalb einer Art Lastenaufzug von der Meeresoberfläche in die Tiefe bzw. wieder hoch fahren kann (s.u. Maritime Habitate).

Technische Daten liefert der Designer allerdings nicht. Es wird nur gesagt, daß die Entsalzungsanlage die Mehrfachbefeuchtung und die Umkehrosmose nutzt und zudem fortschrittliche Materialien verwendet, um den Wartungsaufwand zu verringern und ein selbstreinigendes System zu schaffen. Über eine Umsetzung ist nichts zu finden.

Bereits im Oktober 2011 berichten die Blogs über ein Gerät namens Eliodomestico, das der italienische Designer Gabriele Diamanti aus Mailand während seines Studiums am Polytechnikum Mailand im Jahr 2005 entwickelt hat - und das bei den diesjährigen Core77 Design Awards mit dem Preis der Kategorie ‚Professional Winner for Social Impact‘ ausgezeichnet wird. Zudem gehört das Wasserfiltersystem zu den zwölf Finalisten des Prix Émile Hermès 2011.

Der mit Solarenergie betriebene wannenartige Öko-Destillierapparat, dessen Herstellung von der Hermès-Unternehmensstiftung finanziert wird, ist vollständig aus Terrakotta und verzinkten Blechen gefertigt und als Open-Source-Produkt ausgelegt, um durch lokale Handwerker hergestellt und repariert zu werden. Er soll direkt vor den Häusern der Menschen aufgestellt werden.

Auf der Oberseite des Geräts befindet sich ein schwarzer Kessel mit einem wasserdichten Deckel. Morgens wird salziges oder schmutziges Wasser aus einer lokalen Quelle in einen Wassereinlaß gegossen, und dann der Deckel versiegelt, damit kein Dampf entweichen kann. Sowohl die Temperatur als auch der Druck im Kessel steigen im Laufe des Tages an, und der Deckel fungiert als Kondensator, der Dampf erzeugt, der dann durch ein Metallrohr in eine darunter plazierte Tonschale geleitet wird, in der sich abends das saubere Wasser entnehmen läßt.

In den Berichten ist die Rede davon, daß das Gerät ohne Filter und Elektrizität täglich bis zu bis zu 5 Liter Trinkwassers bereiten kann – was sich bei genauerer Recherche aber auf den Quadratmeter Anlagenfläche bezieht. Der Prototyp des Eliodomestico hat jedoch eine Fläche von nur 0,4 m², weshalb die reale Produktion bei 2,5 – 3 Litern pro Tag liegt – und dies auch nur unter afrikanischer Sonne.

Im März 2012 berichten die Blogs, daß die Schülerin Maya Braun und der Schüler Avishai Katko von der Sharett High School in Netanya beim 15. jährlichen Wettbewerb für junge Wissenschaftler Intel-Israel einen Preis für die Entwicklung eines tragbaren, solarbetriebenen Wasseraufbereitungssystems gewonnen haben - was für beide mit ein Universitätsstipendium in Höhe von 3.000 $ verbunden ist.

Das modulare System, das von jedermann in Ländern mit Wasserknappheit und viel Sonnenschein verwendet werden kann, nutzt die Solarenergie, um verschmutztes Wasser mit ultraviolettem Licht zu bestrahlen. Es kann zu geringen Kosten hergestellt werden. Nähere Details gibt es nicht.

Im Mai 2012 stellen Studenten der Northeastern University (NU) in Boston ein solarbetriebenes Entsalzungssystem mit dem Namen Pyramid Desalinator vor, das im Rahmen eines Abschlußprojekts unter der Leitung von Prof. Mohammad Taslim entwickelt wurde. Die Idee dazu kam dem Studententeam, als es in Ägypten ein Programm zum Dialog der Zivilisationen im Bereich Strömungsdynamik absolvierte.

Das Entsalzungssystem besteht aus einem 1 m² großen Aluminiumrahmen, einer Wasserschale und einem Wasserspeicher unter der Schale. Ein Stück Kunststoff in Form einer Pyramide deckt die gesamte Vorrichtung ab. Das Leistungsziel ist die Produktion von bis zu einem Liter Trinkwasser pro Tag. Mit den richtigen Materialien soll es sich für 20 $ herstellen lassen.

Die Teammitglieder Stephen Bethel, Douglas Dell’Accio, Matt Haffenreffer, Zach Modest und Michael Wegman, die bereits einen Prototyp nach Kamerun im westlichen Zentralafrika verschickt haben, hoffen nun auf eine Vertriebspartnerschaft mit Water.org oder dem Amerikanischen Roten Kreuz. Zudem bemühen sie sich um eine Finanzierung in Höhe von 10.000 $ durch Jola Venture, ein gewinnorientiertes Sozialunternehmen, um den Apparat unter Verwendung kostengünstigerer Materialien neu zu gestalten und ein automatisches Wasserzufuhrsystem zu entwickeln. Bislang ist darüber aber nichts zu erfahren.

Das Modell der NU hat frappierende Ähnlichkeit mit dem WetLand pyramidal water desalinator, den vier Ingenieur-Studenten und -Studentinnen der Humboldt State University in Arcata im Norden des US-Bundesstaates Kalifornien im Herbst 2013 präsentieren.

Das Team mit dem Namen It’s Always Sunny hatte das Ziel, ein langlebiges Entsalzungssystem zu entwerfen, das destilliertes Wasser aus dem Delaware River für die Bewohner eines Kahns produziert.

Der Klient ist WetLand, ein kollaboratives Kunstprojekt in Philadelphia, das mit der in New York City lebenden Künstlerin Mary Mattingly zusammenarbeitet. Konkret handelt es sich um einen Flußkahn, der als öffentliche Demonstration der möglichen symbiotischen Beziehung zwischen Gesellschaft und Umwelt dienen soll. In den Sommermonaten 2014 wird WetLand als Bühne für gemeinschaftliche Bemühungen zur Umsetzung nachhaltiger Lebensstile genutzt. Weshalb die Anlage von Adrienne Agawin, Jake Coniglione, Loti Jones und Emily Klee wohl auch werbewirksam The Great Pyramid of Philadelphia genannt wird.

Die Materialkosten für ihre Herstellung betragen gut 500 $ und sind ebenso wie die Entwicklungsphasen detailliert auf appropedia.org dokumentiert. Mattingly war zudem im Jahr 2009 auf dem East River unterwegs - mit dem schwimmenden Öko-Habitat ,Waterpod’. Dieser wohl sehr beliebte Name wird uns noch mehrfach begegnen, z.B. gleich hier:

Im April 2013 zeigen die Blogs ein tragbares Entsalzungsgerät, das der ehemalige Seemann Alain Thibault entwickelt und kürzlich auf dem Festival der Sahara-Nomaden in M’Hamid El Ghizlane in Südmarokko einem begeisterten Publikum vorgeführt hat. Für die Nomaden, die häufig ungenießbares Brackwasser aus Brunnen schöpfen müssen, ist das Gerät, das die Kraft der Sonne nutzt, um Verdunstung und Kondensation zu fördern, äußerst spannend.

Der Waterpod genannte Kasten ist aus Holz, Kork, Edelstahl und Glas gefertigt und soll bei richtiger Pflege 20 - 40 Jahre lang täglich zwölf Liter Brackwasser in sechs Liter sauberes Trinkwasser umwandeln. Obwohl das Gerät leicht genug ist, um von den Nomaden mitgeführt zu werden, macht es der Preis von rund 650 $ unerschwinglich für sie.

Als Lösung unterrichtet der Erfinder Studenten an einer Hochschule in Tiznit, wie sie das Entsalzungsinstrument zu einem niedrigeren Preis nachbauen können. Es läßt sich aber nichts näheres darüber finden, und auch der Waterpod selbst scheint danach in der Versenkung verschwunden zu sein.

Im Oktober folgen Meldungen über eine Arbeit des von Antonio Girardi und Cristiana Favretto im Jahr 2009 gegründeten Designbüros Studiomobile für die 13. Architektur-Biennale 2012 in Venedig. Das Konzept beschäftigt sich mit dem Anstieg des Meeresspiegels, indem es den immer größer werdenden Ozean als neue Ressource begreift, die die Bereitschaft erfordert, sich mit den neuen Ökosystemen zu arrangieren, die in dieser salzhaltigen Welt entstehen werden.

Das Networking Nature genannte Konzept ist ein Ökosystem, das von Meerwasser lebt – und im Gegenzug frisches Trinkwasser produziert. In dem vorgeführten Modell ist ein Glastank mit Meerwasser gefüllt, das dann durch eine Reihe von solarbetriebenen Destillierapparaten in frisches Trinkwasser umgewandelt wird. Durch die von kleinen Lampen simulierte Sonnenwärme verdampft das Meerwasser, und der Dampf wird zu frischem Wasser kondensiert, das in Tanks gesammelt und dann abgegeben wird.

Dabei ist Networking Nature nicht nur dazu gedacht, Einzelpersonen oder Familien mit frischem Wasser zu versorgen, sondern auch Teil einer größeren lokalen Wasserinfrastruktur zu werden. Die Designer denken dabei an ein intelligentes Wassernetz (Smart Water Network, SWN), das von Sensoren gesteuert wird, die den lokalen Wassermangel messen und über Prozessoren die Pumpen aktivieren, die das Wasser dort bereitstellen, wo der Bedarf am größten ist. Über irgendwelchen weiteren Umsetzungsschritte ist nichts bekannt.

Der Designer Li Zhengkui stellt im August 2015 das Konzept einer Rettungsinsel vor, die gleichzeitig als Wasserfilter fungiert. Seine Solar Water Still ist eine Boje, die die Sonnenenergie und auch Meeresströmungen nutzt, um kontinuierlich Meerwasser in Süßwasser zu verwandeln. So können sich Schiffe und Boote mit Trinkwasser versorgen, auch wenn sie mitten auf dem Meer unterwegs sind.

Darüber hinaus verfügt die Rettungsinsel mit einem Durchmesser von mehreren Metern über ein SOS-Signalsystem und eine Grundausstattung an Hilfsgütern, die jedem das Überleben sichern, der auf See gestrandet ist. Über das Design hinaus scheinen noch keine Umsetzungsschritte unternommen worden zu sein.

Etwa von 2017 stammt ein Ansatz im kleineren Format, der auf der genialen Idee basiert, konventionelle Rettungsringe einem ,Upgrade’ zu unterziehen.

Das von He Yue, Wang Dading und Yuan Huaiyu entworfene Konzept Life Buoy soll Schiffbrüchige davor bewahren, an Dehydrierung und Sonnenbrand zu sterben, weil ein längeres Eintauchen in Meerwasser den Wasserverlust des Körpers beschleunigt.

Indem ein Teil des Rettungsring transparent gestaltet und mit einer Zufuhrmöglichkeit für eine gewisse Menge Meerwasser ausgestattet wird, kann dieser Bereich trinkbares Wasser destillieren und die Chancen der Überlebenden erhöhen, gerettet zu werden. Zur Entnahme gibt es einen flexiblen Saugschlauch.

Zwar blieb es auch in diesem Fall bislang beim reinen Design – das allerdings mit einem reddot award 2018 ausgezeichnet wird.

Im Juni 2017 berichtet ein Team von Forschern der Rice University um Prof. Naomi J. Halas über ein solares Entsalzungssystem, bei dem eine Kombination aus Nanophotonik zur Lichtsammlung und Membrandestillationstechnologie zum Einsatz kommt. Es ist die erste große Innovation des Center for Nanotechnology Enabled Water Treatment (NEWT), eines an der Universität angesiedelten, institutionenübergreifenden technischen Forschungszentrums, das 2015 von der National Science Foundation (NSF) ins Leben gerufen wurde.

Die Nanophotonics-Enabled Solar Membrane Distillation (NESMD) genannte Technologie, die nur minimale Pumpenergie für eine optimale Destillatumwandlung erfordert, kombiniert bewährte Wasseraufbereitungsmethoden mit modernster Nanotechnologie, die Sonnenlicht in Wärme umwandelt. Sie basiert auf 2012 erfolgten Forschungen in Halas’ Labor zur Entwicklung von Nanopartikeln, die bis zu 80 % des Sonnenlichts zur Dampferzeugung nutzen. Durch die Zugabe von kostengünstigen, handelsüblichen Nanopartikeln zu einer porösen Membran wird diese in ein einseitiges Heizelement verwandelt, das allein das Wasser für die Membrandestillation erhitzt.

Um die Integration photothermischer Heizfunktionen in eine Wasserreinigungsmembran zur direkten, solarbetriebenen Entsalzung nachzuweisen, präsentierten die Forscher eine NESMD-Kammer, die etwa so groß wie drei Briefmarken und nur wenige Millimeter dick ist. Die Destillationsmembran in der Kammer enthält eine obere Schicht aus Ruß-Nanopartikeln, die in ein poröses Polymer eingearbeitet sind. Die Licht einfangenden Nanopartikel erwärmen die gesamte Oberfläche der Membran, wenn sie dem Sonnenlicht ausgesetzt ist. Dabei fließt eine dünne, einen halben Millimeter dicke Schicht Salzwasser über die Rußschicht, und darunter fließt ein kühler Süßwasserstrom.

Durch die Konzentration des Sonnenlichts läßt sich die Wasserproduktionsrate beträchtlich steigern. So steigt die Intensität auf 17,5 kW/m², wenn eine Linse verwendet wird, um das Sonnenlicht um das 25-fache zu konzentrieren - wobei die Wasserproduktion auf etwa 6 Liter pro Quadratmeter pro Stunde zunimmt. Im nächsten Schritt baut das NEWT-Forschungsteam ein größeres System mit einem Paneel von etwa 70 x 25 cm, doch letztendlich soll ein modulares System entwickelt werden, bei dem die Nutzer so viele Platten bestellen können, wie sie für ihren täglichen Wasserbedarf benötigen.

Im Juni 2019 folgt ein weiterer Bericht in dieser Sache, nachdem das Team der Rice University die Effizienz des durch Nanotechnologie unterstützten Solar-Membran-Entsalzungssystems um mehr als 50 % steigern konnte, indem es einfach kostengünstige Kunststofflinsen hinzufügte, um das Sonnenlicht auf ,Hot Spots’ zu konzentrieren. Die Fresnel-Linsen werden auf die Seite der Membran geklebt, die der Salzwasserseite zugewandt ist, woraufhin die ca. 5 mm großen Hotspots ihre Energie an das umliegende Wasser abgeben, das sich dadurch schneller erhitzt. Dies sorgt wiederum für eine überproportional stärker ansteigende Druckdifferenz, die den Transport von Dampfmolekülen durch die Membran beschleunigt.

Damit sind die Hotspots wirkungsvoller als flächige Wärmeabsorber - und der solarbetriebene Ansatz zur Reinigung von Salzwasser mit Nanopartikeln sogar noch effizienter, als seine Schöpfer zunächst glaubten. Außerdem zeigt sind, daß die Energie, die für den Phasenwechsel bei der Destillation verwendet wird, aus dem destillierten Wasser zurückgewonnen werden kann, um das Eingangswasser vorzuwärmen. Die Studie mit dem Titel ,Solar thermal desalination as a nonlinear optical process’ ist im Netz einsehbar. Jetzt wollen die Rice-Forscher ihr Verfahren massentauglich machen. Bislang scheint dies aber nicht erfolgt zu sein.

Dafür wird 2020 gemeldet, daß der Wärmeaustausch zwischen dem destillierten und dem zugeführten Wasser eine Resonanzbedingung erfüllen kann, was zu einer drastischen Steigerung der Frischwasserproduktion führt. Durch die Kopplung von nanophotonisch unterstützter solarer Membrandestillation mit dynamischer Wärmerückgewinnung werden Zuwächse an destilliertem Wasser in Höhe von bis zu 500 % erreicht, die durch die Steuerung der Eingangsdurchflußraten als Funktion der einfallenden Lichtintensität erzielt werden.

Die Resonanzbedingung, die für den zirkulierenden Wärmestrom zwischen Destillat und Einspeisung erreicht wird, ermöglicht es dem System, sich auf eine völlig neue Weise zu verhalten, nämlich als Entsalzungsoszillator (Thermal Desalination Oscillator, TDO) - ein Konzept, das sich auch auf andere Systeme wie thermische Energiespeicher oder solarbetriebene chemische Reaktoren anwenden läßt.

In einer im November 2017 erscheinenden Studie schreiben Forscher der University of California, Irvine (UCI) unter der Leitung von Prof. Shane Ardo, daß sie ein „ionisches Analogon zur elektronischen pn-Übergangssolarzelle“ entwickelt haben, das von Licht Gebrauch macht, um das halbleiterähnliche Verhalten von Wasser auszunutzen und ionischen Strom zu erzeugen. Der Mechanismus soll zur Herstellung eines Geräts genutzt werden, das Sonnenlicht direkt in ionische Elektrizität umwandelt, was Auswirkungen auf die direkte solare Entsalzung von Salzwasser hat.

Das Team hatte schon vorher über eine synthetische, lichtgetriebene Protonenpumpe berichtet, die aus einer Ionenaustauschermembran abgeleitet ist. Die Absorption von Licht durch kovalent gebundene Photosäuremoleküle führte zwar zu einer photovoltaischen Wirkung, doch dem Design fehlte ein zweiter permselektiver Membrankontakt, was seine Leistung einschränkte.

Tatsächlich gab es bereits in den 1980er Jahren Experimente, bei denen Materialien photoangeregt wurden, um einen Ionenstrom durch sie hindurch zu leiten, und theoretischen Studien zufolge sollten diese Ströme die gleichen Werte erreichen können wie ihre elektronischen Entsprechungen, aber keiner dieser Ansätze hat funktioniert.

In der im Netz einsehbaren Studie ,Conversion of Visible Light into Ionic Power Using Photoacid-Dye-Sensitized Bipolar Ion-Exchange Membranes’ wird nun über eine ca. 60-fache Erhöhung der Photospannung durch Verwendung einer bipolaren Membranstruktur berichtet, die aus einer Kationenaustauschmembran besteht, welche an einer Anionenaustauschmembran befestigt ist.

Das tragbare Gerät, das durch Sonnenlicht erzeugten Strom nutzt, um Salzionen selektiv durch eine Reihe von Membranen zu treiben, soll die Entsalzung mehr als 2,5 Mal schneller schaffen als konkurrierende Technologien. Im März 2019 wird ein entsprechender Patentantrag gestellt (WO-Nr. 2019191326). Die wissenschaftliche Arbeit geht auch in den Folgejahren weiter - von einer praktischen Umsetzung ist bislang aber noch nichts zu sehen.

Im September 2017 stellen Wissenschaftler der Huazhong University of Science and Technology in China ein Gerät vor, das gleichzeitig Süßwasser und Strom aus Meerwasser erzeugt. Das Team um Prof. Jun Zhou hat ein Hybridsystem konstruiert, das aus einem lichtabsorbierenden Filterpapier besteht, das mit Kohlenstoffnanoröhrchen über einer ionenselektiven Membran modifiziert wurde und auf dem Wasser schwimmt. Die auftreffende Sonnenenergie erwärmt das Wasser auf der Oberfläche, so daß es verdampft; die Kondensation dieses Dampfes ergibt frisches Wasser.

Doch wenn die Wassermoleküle die Oberfläche des Geräts verlassen, steigt die Salzkonzentration dort im Vergleich zum Meerwasser darunter signifikant an (Salinitätsgradient) - eine Eigenschaft, die die Forscher bisher vernachlässigt haben. Dabei kann die Energiedichte dieses Salzgehaltsunterschieds bis zu sechsmal höher sein als der Unterschied zwischen Fluß- und Meerwasser, der die Grundlage von Osmose-Kraftwerken ist.

Der Schlüssel zur Kombination der beiden Prozesse ist die Selektivität der eingesetzten Membran, die nur positive Ionen durchläßt, wodurch auf beiden Seiten ein Ladungsungleichgewicht entsteht, das sowohl ein elektrisches Potential als auch Strom aus Redoxreaktionen an den Elektroden erzeugt.

Das Team stellt zum Beleg der Machbarkeit ein Gerät mit einer Fläche von 100 cm² her, das eine Leistungsdichte von 1 W/m² zeigt, was im Vergleich zu Sonnenkollektoren mit 10 - 20 W/m² noch ziemlich gering ist. Zudem werden während des Betriebs die eingesetzten Silber-Elektroden verbraucht, deren Auflösung das Wasser verschmutzen würde.

Eine weitere innovative und kostengünstige Technologie, um Meerwasser durch Sonnenenergie in Süßwasser zu verwandelt, wird in einer im Dezember 2018 in der Fachzeitschrift Nature Sustainability veröffentlichten Studie des Politecnico di Torino beschrieben. Die Gruppe junger Ingenieure, die aus Eliodoro Chiavazzo, Matteo Morciano, Francesca Viglino, Matteo Fasano und Pietro Asinari besteht, entwickelt am Clean Water Center (CWC) der Universität einen Prototypen, der im Vergleich zu früheren Lösungen in der Lage sein soll, die mit einer gegebenen Sonnenenergie produzierte Wassermenge theoretisch zu verdoppeln.

Während herkömmliche ‚aktive‘ Entsalzungstechnologien kostspielige mechanische oder elektrische Komponenten benötigen, basiert der neue Ansatz auf spontanen Prozessen, die ohne zusätzliche Maschinen ablaufen und daher als ‚passive‘ Technologie bezeichnet werden können. Dem zufolge basiert das Funktionsprinzip auf dem Vorbild von Pflanzen, die das Wasser durch Kapillarwirkung und Transpiration von den Wurzeln zu den Blättern transportieren.

Das schwimmende Gerät nimmt das Meerwasser mit Hilfe eines kostengünstigen porösen Materials auf, was den Einsatz teurer und schwerfälliger Pumpen obsolet macht. Das Meerwasser wird dann durch Solarenergie erhitzt, denn die Membrandestillation (MD) ist ein thermisch angetriebenes Behandlungsverfahren, bei dem die Trennung durch einen Phasenwechsel ermöglicht wird. Dabei fungiert eine hydrophobe mikroporöse Membran als Barriere für die flüssige Phase und läßt Wasserdampf durch die Membranporen passieren, während alle Substanzen, die sich nicht verflüchtigen, einschließlich Salze, zurückgehalten werden.

Die treibende Kraft des Prozesses ist die Differenz zwischen dem Zufuhrstrom von 50 – 70ºC und der wesentlich niedrigeren Umgebungstemperatur. Ein bekannter Nachteil der ‚passiven‘ Entsalzungstechnologien war bisher ihre geringe Energieeffizienz im Vergleich zu den ‚aktiven‘ Technologien. Doch anstatt sich wie andere darauf zu konzentrierten, die Absorption der Sonnenenergie zu maximieren, richten die Forscher des Politecnico ihre Aufmerksamkeit auf ein effizienteres Management der absorbierten thermischen Sonnenenergie.

Indem die Sonnenwärme in mehreren Kaskadenverdampfungsprozessen ‚recycelt‘ wird, sollen sich pro Quadratmeter und Tag bis zu 20 Litern Trinkwasser gewinnen lassen, ein Rekordwert. Der im Laufe von gut zwei Jahren entwickelte Prototyp wird vor Varazze im ligurischen Meer erfolgreich getestet und erbringt den ersten Beweis, das das Multi-Effekt-Verfahren auch bei passiven Entsalzungstechnologien sehr effektiv sein kann.

Dem Stand von 2022 zufolge ist man am CWC dabei, einen MD-Laboraufbau mit einer aktiven Membranfläche von 50 × 10 cm mit Solarpaneelen und einem zweiachsigen parabolischen Solarkonzentrator mit einer Kollektorfläche von 10 m² und einer solarthermische Leistung von 8 kW zu koppeln, um die Technologie in größerem Umfang zu demonstrieren. Zudem suchen die Forscher nach Industriepartnern, um ihren Prototyp haltbarer, skalierbarer und vielseitiger zu machen.

Eine Studie der australischen Monash University in Melbourne, die im April 2019 veröffentlicht wird, beschreibt eine hydrophile Scheibe, die als solarer Dampfgenerator Wasser entsalzt. Eine Besonderheit ist, daß die neue kostengünstige und umweltfreundliche Ausführung des Teams um Prof. Xiwang Zhang die Kristallisation von Salzen auf der Oberfläche der photothermischen Materialien während der Dampferzeugung verhindert, die sonst zu einem allmählichen Rückgang der Wasserverdampfungsrate führen würde.

Dieses Problem wird durch ein neuartiges Design gelöst, das einen kontrollierten Wassertransport, eine kantenpräferentielle Kristallisation und eine schwerkraftunterstützte Salzernte umfaßt. Die Kristallisationsstellen des Salzes werden damit räumlich von der Wasserverdampfungsoberfläche isoliert, wodurch eine kontinuierliche Dampferzeugung und Salzernte in über 600 Stunden Dauerbetrieb erreicht werden.

Der Dampfgenerator besteht im Einzelnen aus einer Scheibe aus superhydrophilem Filterpapier, die mit einer Schicht aus Kohlenstoffnanoröhrchen beschichtet ist, welche Sonnenlicht in Wärme umwandeln. Das zu entsalzende Wasser wird über einen einfachen Baumwollfaden in die Mitte der Scheibe geleitet, wo es sich durch die Hitze in Dampf verwandelt, der sich auf der Scheibe aufbaut und das Salz an den Rand drückt. Auf diese Weise entfernt das Gerät fast 100 % des Salzes aus dem Wasser, wobei die Salze, die sich an den Rändern ansammeln, auch für die Verwendung geerntet werden können.

Bei Tests mit salzhaltigem Wasser aus einer Bucht in Südaustralien wird festgestellt, daß das Gerät 94 % des Lichts im gesamten Sonnenspektrum absorbiert und sowohl im nassen als auch im trockenen Zustand funktioniert. Im trockenen Zustand heizt das Gerät durch die Lichteinwirkung innerhalb von nur einer Minute von 25°C auf 50°C auf, im nassen Zustand von 17,5°C auf 30°C. Dabei werden pro Tag und Quadratmeter Oberfläche 6 - 8 Liter sauberes Wasser produziert.

Ähnliche Umsetzungen, bei denen Kohlenstoffnanoröhrchen zur Dampferzeugung eingesetzt werden, sind von der chinesischen Huazhong University of Science and Technology aus dem Jahr 2017 bekannt (s.u. Solare Wasserentsalzung); von der University of Science and Technology of China (USTC) im Jahr 2020, sowie von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) im Jahr 2022 (beide s.u. Solare Wasseraufbereitung).

Im August 2020 folgt ein weiterer Bericht eines Teams der Monash University, das diesmal von Prof. Huanting Wang geleitet wird, wobei auch Kollegen der University of New South Wales sowie der Xiamen University und der Chinese Academy of Sciences mit dabei sind. Der Artikel ,A sunlight-responsive metal–organic framework system for sustainable water desalination’ ist leider nicht öffentlich einsehbar. Der Zusammenfassung zufolge geht es um ein mit Polyspiropyranacrylat (PSP) funktionalisiertes metallorganisches Gerüst (MOF) mit hoher Adsorptionskapazität und sonnenlichtgesteuerter Regenerierbarkeit für die Wasserentsalzung.

MOFs sind sehr porös und haben die größte Oberfläche aller bekannten Materialien - in einen Teelöffel paßt die gesamte Fläche eines Fußballfeldes. Diese Eigenschaft macht sie so effektiv bei der lichtgetriggerten reversiblen Salzadsorption. Unter dunklen Bedingungen saugt das MOF innerhalb von weniger als 30 Minuten eine Vielzahl von Kationen und Anionen aus dem stark salzhaltigen Wasser. Sobald die Absorption abgeschlossen ist, kann das MOF nach vier Minuten Sonneneinstrahlung, bei denen das Material sein gesammeltes Salz abgibt, wiederverwendet werden.

Bei der Entsalzung von synthetischem Brackwasser wird eine Süßwasserausbeute von 139,5 Liter pro Kilogramm des Materials pro Tag erreicht, und dies bei einem niedrigen Energieverbrauch von nur 0,11 Wh pro Liter.  Das Adsorptionsmittel weist zudem eine hohe Stabilität und Zyklusleistung auf. Dem Team zufolge können die auf Sonnenlicht reagierenden MOFs möglicherweise weiter funktionalisiert werden, um energiesparende und umweltfreundliche Mittel zur Gewinnung von Mineralien für einen nachhaltigen Bergbau und andere verwandte Anwendungen zu entwickeln.

Hinweis: Der Einsatz von MOFs zur Gewinnung von Trinkwasser aus der Luft wird unter dem Schwerpunkt der PV-basierten Wasserkondensation behandelt.

Eine besonders interessante Erfindung aus den Jahren 2019/2020 ist das Solar Desalination Skylight, das auf den Architekten Henry Glogau aus Neuseeland zurückgeht, der bei dem Architekturbüro 3XN mit Sitz in Kopenhagen, Dänemark, arbeitet. Die Juroren der Lexus Design Awards sind so beeindruckt von dem ganzheitlichen Ansatz des Geräts, daß sie diesem die höchste Auszeichnung verleihen.

Da in Chile alle wesentlichen Dienstleistungen privatisiert sind und es keine öffentliche Wasserversorgung gibt, müssen viele chilenische Gemeinden exorbitante Preise für frisches Wasser zahlen. Eine von ihnen ist Mejillones, ein Küstendorf weit im Norden der Hauptstadt Santiago. Das Solar-Dachfenster von Glogau sorgt nicht nur für eine sanfte indirekte Beleuchtung von Innenräumen, ohne dabei Wärme hineinzulassen, sondern entsalzt darüber hinaus täglich bis zu 400 ml Meerwasser.

Der solare Entsalzer ist aber nur ein Anfang für die Menschen in dieser wasserarmen Gemeinde, denn der menschliche Körper benötigt etwa zwei Liter Wasser pro Tag. Für die Menschen von Mejillones ist das Gerät dennoch ein Wunder, bei dem Meerwasser von Hand über einen kleinen Schlauch in die Leuchte hineingepumpt wird, während das saubere Trinkwasser später von unten abgezapft werden kann.

Die runde Deckenleuchte, deren Form als Oberlicht vertraut ist und nicht wie ein Hightech-Gadget wirkt, ist zudem ein Hybrid, dessen LED-Lichtband tagsüber durch ein kleines Solarpaneel aufgeladen wird. Die Leuchte wird außerdem von der Salzsole gespeist, die bei der Verdunstung anfällt und zwölf Salzwasserbatterien bildet, welche das Oberlicht nachts durch eine chemische Reaktion in Kupfer- und Zinkröhren mit Strom versorgt.

Man kann das Solar Desalination Skylight als eine Erweiterung eines Selbstbau-Tageslichtsystems betrachten, das auf den brasilianischen Elektroingenieur Clivenor de Araujo Filho im Jahr 2002 zurückgehen soll. Dabei werden transparente Plastikflaschen mit frischem Wasser und etwas Bleichmittel befüllt, um dem Algenwachstum im Inneren vorzubeugen, dann gut verschlossen und in Löcher in dem Dachmaterial, z.B. Wellblech, eingesetzt.

Indem sie zur Hälfte außen dem Sonnenlicht ausgesetzt sind, strahlen sie im Durchschnitt so viel Licht wie eine 50 W Glühbirne in den Raum hinein – ohne Wärme hineinzulassen. Das Projekt unter dem Namen Liter of Light wird ausführlich im Kapitelteil der Solarleuchten beschrieben.

 

Weiter mit der solaren Wasserentsalzung...