TEIL C

Solare Wasserentsalzung (Fortsetzung 2)

Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Shanghai Jiao Tong University um Prof. Evelyn N. Wang präsentieren im Januar 2020 eine einfache, solarbetriebene Wasserentsalzungsmethode, die einen Gesamtwirkungsgrad von 385 % erreicht und bis zu 5,78 Liter sauberes Wasser pro Stunde und Quadratmeter Solarfläche produzieren kann. Der Bericht ,Ultrahigh-efficiency desalination via a thermally-localized multistage solar still’ ist im Netz einsehbar.

Das Entsalzungssystem besitzt mehrere vertikal angeordnete Schichten: Zunächst eine transparente Isolierschicht, die das Sonnenlicht zu einer schwarzen, wärmeabsorbierenden Schicht durchläßt. Diese wiederum gibt die Wärme an mehrere Schichten aus Dochtmaterial weiter, die das Wasser von unten aufsaugen. Das Wasser verdunstet aus dieser Schicht und trifft auf eine Oberfläche, wo es kondensiert und abtropft, um aufgefangen zu werden. Die teuerste Komponente des Prototyps ist eine Schicht aus transparentem Aerogel, die als Isolator an der Spitze des Stapels verwendet wird.

Ein Großteil der Effizienz der thermisch lokalisierten mehrstufigen Solaranlage (Thermally-Localized Multistage Solar Still, TMSS) ist auf die Art und Weise zurückzuführen, wie die Wärme genutzt wird, denn sie geht nicht an die Umwelt verloren, sondern wird nacheinander an jede der Verdunstungsschichten weitergegeben. Theoretisch könnten solche Systeme mit mehr Entsalzungsstufen und weiterer Optimierung einen Gesamtwirkungsgrad von bis zu 800 % erreichen.

Das Salz bleibt derweil in dem Dochtmaterial zurück und wird über Nacht auf natürliche Weise entfernt, denn wenn das Gerät abkühlt, diffundiert das Salz durch das Material zurück in das Meerwasser. Eine mögliche Umsetzung wären daher schwimmende Paneele auf einem Salzwasserkörper, z.B. einem Stauteich. Andere Systeme könnten für Haushalte konzipiert werden, wobei das Team schätzt, daß eine Kollektorfläche von etwa 1 m² den täglichen Trinkwasserbedarf einer Person decken kann.

Wie im Februar 2022 berichtet wird, wurde ein zwischenzeitlich weiterentwickelter Prototyp, der ohne Dochte auskommt, rund eine Woche lang getestet, ohne daß sich das herausgefilterte Salz irgendwo angesammelt hätte. Die neue Version, die auf der Oberfläche eines Salzwasserkörpers schwimmen soll, besteht ebenfalls aus mehreren Schichten, die aber nicht mehr vertikal angeordnet sind. Statt dessen saugt ein Material mit 2,5-mm-Perforationen Wasser aus dem darunter liegenden Reservoir an und bildet eine dünne Wasserschicht auf der Oberfläche.

Mit Hilfe eines dunklen Materials, das die Wärme des Sonnenlichts absorbiert, wird diese dünne Wasserschicht erhitzt, bis sie verdampft und anschließend an einer schrägen Fläche kondensiert. Das Salz bleibt im verbleibenden Wasser zurück, aber die Löcher in dem perforierten Material haben genau die richtige Größe, um eine natürliche konvektive Zirkulation zu ermöglichen. Das wärmere Wasser oberhalb des Materials - das nun eine viel höhere Salzdichte aufweist - wird in den kälteren Wasserkörper darunter zurückgezogen. Eine neue Wasserschicht wird an die Oberseite des Materials gesaugt und der Kreislauf beginnt von neuem.

Grundsätzlich sollten sich solche Anlagen auch recht einfach aus leicht erhältlichen Teilen herstellen lassen, wobei die reinen Materialkosten für ein Gerät, das eine Familie mit dem täglichen Trinkwasser versorgen kann, bei lediglich 4 $ liegen. Auch diese Studie mit dem Titel ,Highly efficient and salt rejecting solar evaporation via a wick-free confined water layer’ ist im Netz einsehbar.

Erwähnenswert und sehr zu empfehlen ist die technisch-wirtschaftliche Analyse ,Passive, high-efficiency thermally-localized solar desalination’ des Teams um Prof. Wang, die März 2021 erscheint und ebenfalls im Netz veröffentlicht ist.

In der Übersichtsarbeit werden zwei kritische Faktoren - Wasserproduktion und Zuverlässigkeit - erörtert, da zwischen der Innovation im Labormaßstab und der kommerziellen Nutzung eine erhebliche Wissenslücke klafft. Zudem wird gezeigt, daß die Optimierung des Wärme- und Stofftransfers der gesamten solaren Entsalzungsanlage und die Rückgewinnung der latenten Kondensationswärme wichtig sind, um die Gesamtwasserproduktion zu steigern.

Gleichzeitig wird in der Vergleichsstudie das Potential neuartiger Systemarchitekturen und Strömungstechniken erörtert, die Antifouling und robuste Entsalzungsanlagen ermöglichen.

Ein zweites System, das im Januar 2020 vorgestellt wird, ist von Forschern der britischen University of Bath, der University of Johannesburg und der Bogor Agricultural University in Indonesien entwickelt worden und nutzt einen ganz anderen Mechanismus. Anstatt das Wasser durch eine Membran zu leiten und das Salz zurückzulassen, macht das Gerät des Teams um Prof. Frank Marken das Gegenteil und zieht das Salz aus dem Wasser, was durch ein ionisches System ermöglicht wird.

Der Prototyp des Systems ist eine 3D-gedruckte Entsalzungsanlage mit zwei internen Kammern, die für die Extraktion und/oder Akkumulation von Salz ausgelegt sind. Dabei sind die zwei Kammern durch eine dünne, halbdurchlässige Kunststoffmembran getrennt, die Salzionen durch Arrays von Mikrolöchern nur in eine Richtung fließen läßt. Dies geschieht dadurch, daß die Membran negativ geladen ist und in Verbindung mit einem anionischen Widerstand nur negative Salzionen durchläßt, wenn ein elektrischer Strom angelegt wird, der nicht besonders stark sein muß und leicht durch Photovoltaik bereitgestellt werden kann.

Nach dem Einschalten wird das Salz daher in einer Kammer aus dem Wasser gezogen und in der zweiten Kammer deponiert. Im Gegensatz zu des meisten anderen Systemen, bei denen die Reste ins Meer zurückgeführt werden, kann das Salz dadurch für andere Zwecke verwendet werden. Dabei ist das Verfahren kostengünstig und wartungsarm. Auch diese Studie mit dem Titel ,An AC-driven desalination/salination system based on a Nafion cationic rectifier’ ist im Netz einsehbar.

Ebenfalls im Januar 2020 veröffentlicht die University of Chinese Academy of Sciences eine Studie über einen bio-mimetischen dreidimensionalen Solarverdampfer für die Entsalzung von Wässern mit hohem Salzgehalt, dessen Effizienz nicht durch eine erhöhte Salzkonzentration und -akkumulation eingeschränkt wird.

Der hier spontan gebildete Wasserfilm mit inhomogener Dicke und Temperaturgradient nutzt die zugeführte Energie durch den Marangoni-Effekt vollständig aus und führt zu einer lokalisierten Salzkristallisation. Der Marangoni-Effekt (o. Gibbs-Marangoni-Effekt) ist der Stoffübergang entlang einer Grenzfläche zwischen zwei Phasen aufgrund der Oberflächenspannung. Ein Beispiel ist der Seifenfilm, der von dem Effekt stabilisiert wird.

Die Abbildung zeigt die zeitliche Abfolge optischer Aufnahmen, die den ultraschnellen Ausbreitungsprozeß von Wasser nach oben auf der biomimetischen 3D-Verdampferoberfläche zeigen, die die Form eines Kegels von mehreren Millimetern Durchmesser hat. Der Wasserfilm, der sich unidirektional auf dem 3D-Verdampfer ausbreitet, weist einen Dickengradienten auf, der zu einer verbesserten Wasserverdampfung und einer lokalisierten Salzkristallisation führt.

Damit wird bei der Reinigung von natürlichem Meerwasser eine solare Wasserverdampfungsrate von 2,63 kg pro m² und Stunde erreicht, die Wasserauffangrate beträgt 1,72 kg, die Energieeffizienz über 96 %. Das kristallisierte Salz steht frei auf dem 3D-Verdampfer und kann so leicht entfernt werden. Die Studie ,Highly efficient three-dimensional solar evaporator for high salinity desalination by localized crystallization’ ist im Netz einsehbar.

Und noch ein weiterer, ebenfalls vollständig einsehbarer Artikel erscheint im Januar. Unter dem Titel ,Reversible Atmospheric Water Harvesting Using Metal-Organic Frameworks MOFs’ legen Forscher der Johns Hopkins University um Zhiyong Xia eine parametrische Studie von neun hydrolysestabilen metallorganischen Gerüsten (MOFs) mit unterschiedlichen Strukturen vor, um die grundlegenden Materialeigenschaften zu entschlüsseln, die die Kinetik der Wasserbindung in dieser Materialklasse bestimmen.

Obwohl MOFs vielversprechende Materialien für die Wassergewinnung sind, wurde dem Team zufolge die Beziehung zwischen Mikrostruktur und Adsorptionseigenschaften im Hinblick auf den dynamischen Adsorptions-Desorptionsprozeß bisher kaum erforscht. Bei der Untersuchung wird herausgefunden, daß Zr-MOF-808 bis zu 8,66 Liter pro Kilogramm des Materials pro Tag produzieren kann, was alle zuvor berichteten Werte für MOF-basierte Systeme übertrifft.

Im April 2021 stellen Forscher um Chao Chang an der chinesischen Dalian Maritime University in einem im Netz einsehbaren Artikel mit dem Titel ,Porous TiNO solar-driven interfacial evaporator for high-efficiency seawater desalination’ ein neues, relativ einfaches Design für einen Solar-Destillierapparat mit hohem Wirkungsgrad und relativ geringen Kosten vor. Wie schon seine diversen auf der solarbetriebenen Grenzflächenverdampfung basierenden Vorläufer, schwimmt er auf dem Meerwasser, absorbiert effizient Sonnenenergie und nutzt diese Wärme zur Verdampfung des Wassers.

Der hocheffiziente poröse TiNO-Solarabsorber besteht aus drei Schichten: Der größte Teil ist ein Polyethylenschaum, der das Schwimmen erleichtert und als Wärmeisolator wirkt. Die Außenseite des Schaums ist mit luftgefülltem Airlaid-Papier umwickelt, dessen Hydrophilie und Porosität für eine ausreichende Kapillarkraft sorgen, um das Wasser zur Oberseite hin aufzusaugen, die mit Titannitridoxid (TiNO) beschichtet ist. Dieses hat eine hohe Sonnenabsorptionsrate, eine geringe Wärmeabstrahlung und kann Sonnenenergie effektiv in Wärmeenergie umwandeln.

Bei Tests, in denen das Gerät in einem durchsichtigen Kunststoffbehälter mit geneigtem Dach plaziert wird, welches das kondensierende Süßwasser auffängt, werden eine Verdampfungsrate von 1,33 kg pro m² und Stunde und ein Verdampfungswirkungsgrad von gut 84 % erreicht. Zudem zeigt sich, daß die Poren das Salz aufsaugen und zurück ins Meerwasser leiten, weshalb sich keine Salzschicht bildet. Wieviel Süßwasser das Gerät produzieren kann, wird allerdings nicht angegeben.

Ein spezielles Design wird im August 2021 in den Blogs vorgestellt, nachdem es den James Dyson Award erhalten hat. Der WaterPod ist eine schwimmende Kapsel für den individuellen Gebrauch, die Meerwasser durch einen natürlichen solaren Entsalzungsprozeß in Trinkwasser verwandelt.

Das Team hinter dem WaterPod – Bennie Beh Hue May, Yap Chun Yoon und Loo Xin Yang vom Asia Pacific Institute of Information Technology – entwickelt das Konzept als Reaktion auf den Mangel an sauberem Trinkwasser in Sandakan, in ihrer Heimat Malaysia. Es soll die Möglichkeit bieten, daß die dortige Seefahrergemeinschaft Zugang zu sauberem Trinkwasser erlangt, und dies unabhängig von der Plastikverschmutzung im Meer.

Das auf dem Wasser schwimmende Gerät arbeitet als selbstreinigendes solares Entsalzungssystem, das Meerwasser über ‚Unterwasserdochte‘ aufnimmt, die von Mangrovenbäumen inspiriert sind. Die künstlichen Wurzeln füllen die Gondel mit Meerwasser, bis der Wasserstand die schwarze Kuppel erreicht. Diese besteht aus einer transparenten Abdeckung, einer Lage aus schwarzem Stoff und einer darunter liegenden gewölbten Aluminiumplatte.

Im Inneren der Kuppel durchläuft das Meerwasser einen Verdampfungs- und Kondensationsprozeß, um die Salzpartikel aus dem Meerwasser zu entfernen, während die Wasserdämpfe allmählich aus der transparenten Hülle austreten und sich im Speicherfach des WaterPods sammeln, von wo aus der Benutzer das Trinkwasser abpumpen kann.

Der obere Teil des Geräts ist mit expandiertem Polyurethanschaum gefüllt, der die Wärmeisolierung und den Auftrieb verbessert, während darunter ein Zementsockel für die Auftriebsstabilität sorgt. Über entsprechende Verbindungen lassen sich mehrere Pods zu Gruppen zusammenfassen.

Ebenfalls im August 2021 veröffentlichen Wissenschaftler des Ulsan National Institute of Technology (UNIST) in Südkorea eine Studie mit dem Titel ,Rational Design of a High Performance and Robust Solar Evaporator via 3D-Printing Technology’, die im Netz leider nicht einsehbar ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen Solarverdampfern, die Wasser auf einer flachen Oberfläche halten, verwenden Prof. Ji-Hyun Jang und seine Kollegen ein konkav geformtes, 3D-gedrucktes Objekt, das die Lichtsammelkapazität durch Mehrfachreflexionen auf der Oberfläche maximiert.

Um die Ablagerung von Salz zu verhindern, wird ein doppelschichtiger Photoabsorber verwendet, der aus einer hydrophilen unteren Schicht aus einer mit Polydopamin beschichteten Glasfaser und einer hydrophoben oberen Schicht aus einem karbonisierten Hydrogel auf dem Träger besteht. Der 3D-gedruckte Solarverdampfer erreicht einen Wirkungsgrad von 89 % und eine Verdampfungsrate von 1,60 kg pro Quadratmeter und Stunde.

Im März 2022 folgt die Untersuchung ,Dome-arrayed chitosan/PVA hydrogel-based solar evaporator for steam generation’ der Northeastern University in Boston, wo ein Team um Yi Zheng an der Herstellung und Leistungssteigerung von Hydrogelverdampfern mit Chitosan und Polyvinylalkohol (PVA) als Gerüst und Kohlenstoffnanopartikeln (CNPs) als photothermisches Material arbeiten.

Gleichzeitig werden dreidimensionale Strukturen auf der Grundlage des zweidimensionalen Doppelschicht-Verdampfungssystems entworfen: zum einen ein Verdampfer mit einer winzigen Poolstruktur - sowie ein Hydrogel mit kuppelförmigem Aufbau. Beiden Strukturen erreichen Verdampfungsraten von 2,28 kg bzw. 3,80 kg pro Quadratmeter und Stunde.

Wissenschaftler der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) um Yu Han publizieren im November 2022 eine Studie unter dem Titel ,Three-dimensional open architecture enabling salt-rejection solar evaporators with boosted water production efficiency’, in welcher sie einen Solarverdampfer mit vertikal ausgerichteten Stoffaustauschbrücken für den Wassertransport und den Salzrückfluß vorstellen.

Die offene 3D-Architektur mit Hilfe von Massentransferbrücken ermöglicht es dem Verdampfer, die Leitungswärme, die sonst verloren ginge, zu nutzen und so die Effizienz der Wasserverdampfung deutlich zu verbessern.

Der hergestellte Verdampfer mit verschiedenen Brücken- bzw. Stegzahlen, deren Steghöhe 3 cm beträgt, kann Salzwasser mit einem Salzgehalt von mehr als 10 % behandeln und in einer realen Umgebung unter natürlichem Sonnenlicht kontinuierlich und stabil mit einem Wirkungsgrad von mehr als 40 % arbeiten, wobei er eine tägliche Frischwassererzeugungsrate von ca. fünf Liter pro Quadratmeter erreicht. Aufgrund der starken Salzrückhaltung und der einfachen Skalierbarkeit ist der 3D-Verdampfer ein weiterer vielversprechender Ansatz.

Auch auf eine Studie der Sichuan University sei hier hingewiesen, die im Januar 2023 unter dem Titel ,A robust and 3D-printed solar evaporator based on naturally occurring molecules’ erscheint, allerdings nur auszugsweise einzusehen ist.

Die Forscher um Yiwen Li verwenden zwei Arten von natürlich vorkommenden Materialien, Gerbsäure und Eisen (III), um einen kostengünstigen, hocheffizienten und robusten Grenzflächen-Solarverdampfer zu entwickeln, der sich durch 3D-Druck herstellen läßt. Das Design besitzt eine konische Oberflächenstruktur, die die Lichtsammelkapazität durch Mehrfachreflexionen und Antireflexionseffekte auf der Oberfläche erheblich steigert.

Durch die Optimierung der Höhe der konischen Anordnungen erreicht der Verdampfer mit hoher Kegelstruktur eine hohe Verdampfungsrate von 1,96 kg pro Quadratmeter und Stunde und eine photothermischen Umwandlungseffizienz von 94,4 %. Darüber hinaus besitzt der Verdampfer eine ausgezeichnete Recycling-Stabilität.

Im Februar 2023 folgt eine Veröffentlichung mit dem Titel ,A three-dimensional antifungal wooden cone evaporator for highly efficient solar steam generation’, die von einem Team der Zhejiang A&F University in Hangzhou stammt und im Netz einsehbar ist. Darin berichten die Wissenschaftler um Chunde Jin über eine einfache und umweltfreundliche Methode zur Konstruktion eines konischen 3D-Holzverdampfers, der flexibles Holz als Substrat und einen Gerbsäurekomplex als lichtabsorbierendes Material verwendet.

Um die Grenze der theoretischen Effizienz zu durchbrechen, war der Solarverdampfer von der ursprünglichen 2D- auf eine 3D-Struktur erweitert worden, die aufgrund ihrer größeren Verdampfungsfläche und weniger diffuser Reflexion eine bessere Verdampfungsleistung im Vergleich zur 2D-Version zeigt. So kann die Wasserverdampfungsrate des hölzernen Kegelverdampfers bis zu 1,79 kg pro Quadratmeter und Stunde erreichen, was etwa 1,6 Mal höher ist als die des 2D-Verdampfers.

Der schwarze Gerbsäurekomplex verbessert die Lichtabsorption des Holzes erheblich, was zu einer Absorption von über 90 % führt. Außerdem weist der Verdampfer eine hervorragende biologische Stabilität und eine effektive Entsalzungsleistung auf.

Im März 2023 erscheinen Berichte über das von Jelko Seiboth, Jonathan Heil und Marcel Schroller neu gegründete Start-Up DrinkSea, das der Ruhr-Universität Bochum (RUB) entstammt und ebenfalls Solarenergie nutzt, um Salzwasser zu erwärmen und zu verdampfen. Damit will das Unternehmen autark und unkompliziert Trinkwasser aus dem Meer in die ländlichen Regionen des globalen Südens bringen.

Das Team kann bereits ein funktionierendes Labormodell ihrer DrinkSea Whale genannten Technologie vorweisen, dem nun ein langlebiger und modulare Prototyp für Feldtests folgen soll, der auch nach der Testphase zuverlässig produzieren kann. Dieser soll Menschengruppen von bis zu 30 Personen mit Trinkwasser versorgen können. Darüber hinaus hält sich die Firma ziemlich bedeckt, was technische Details oder konkrete Leistungsangaben anbelangt.

In der im April erscheinenden Studie ,Synergies and potential of hybrid solar photovoltaic-thermal desalination technologies’, die im Netz einsehbar ist, berichtet ein Forschungsteam des Imperial College London und des King’s College London darüber, wie die Kombination von Photovoltaik und Solarthermie die Effizienz und Rentabilität verschiedener solarer Entsalzungsprozesse verbessern könnte.

Die Forscher um Christos N. Markides unterscheiden dabei zwischen Entsalzungstechnologien, die vorzugsweise mit Strom betrieben werden, und solchen, die auf Wärme angewiesen sind. Zu den ersteren gehören die Umkehrosmose (RO), die Elektrodialyse (ED), die mechanische Dampfkompression (MVC) und die kapazitive Deionisation (CDI), zu den letzteren die mehrstufige Flash-Destillation (MSF), die Destillation mit Mehrfachwirkung (MED) und die Membrandestillation (MD).

Die beiden betrachteten Variablen sind die Wasserproduktivität der PVT-Entsalzung im Vergleich zur PV-Entsalzung und ST-Entsalzung; und die Kapitalkosten von PVT-Systemen im Vergleich zu PV- und ST-Systemen. Durch ihre Analyse finden die Forscher heraus, daß die Betriebskosten der am weitesten verbreiteten Entsalzungstechnologie - der Umkehrosmose (RO) - um 20 % gesenkt werden können, wenn sie durch PVT-Systeme im Vergleich zu reinen PV-Anlagen betrieben werden.

Insbesondere ein Ansatz, der auf synergetischen elektrothermischen Kopplungsmechanismen beruht, könnte nicht nur höhere Wirkungsgrade als konventionelle PVT-Kollektoren, sondern auch niedrigere Kosten für entsalztes Wasser bieten. Den Forschern zufolge müssen aber noch weitere Forschungsarbeiten durchgeführt werden, um den Mechanismus der elektrothermischen Kopplung zu klären und parametrische Theorien und Modelle für die gemeinsame Nutzung von Strom und Wärme in verschiedenen Entsalzungsprozessen zu entwickeln.

Im Juni 2023 folgt ein weiterer Übersichtsartikel, der diesmal von einem Team um Qian Li an der Shandong University in China stammt und sich in erster Linie mit Solarverdampfern auf Hydrogelbasis aus verschiedenen optothermischen Materialien befaßt. Auch dieser Artikel namens ,Hydrogel-based solar-driven interfacial evaporation: Current progress and future challenges’ ist im Netz einsehbar.

Eine erstaunlich hohe Wasserproduktionsrate soll ein neues solares Entsalzungssystem erreichen, das von einem amerikanisch-chinesischen Forschungsteam unter der Leitung des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Shanghai Jiao Tong University entwickelt worden ist, wie im September 2023 berichtet wird. Nach Aussage des Teams hat die neue mehrstufige Membrandestillation auch eine höhere Salzabweisungsrate als alle anderen passiven solaren Entsalzungskonzepte, die der Fachwelt derzeit bekannt sind.

Das Gerät besteht aus einer Reihe von Kammern mit Wärmetauschern und Kondensatsammlern. Die zentrale Komponente ist eine einstufige Einheit, die einem schlanken Kasten ähnelt, der mit einem dunklen Material bedeckt ist, das die Sonnenwärme effizient absorbiert. Im Inneren ist der Kasten in einen oberen und in einen unteren Bereich unterteilt. Wasser kann durch die obere Hälfte fließen, wo die Decke mit einer Verdampferschicht ausgekleidet ist, die die Sonnenwärme zur Erwärmung und Verdampfung des Wassers in direktem Kontakt nutzt. Der Wasserdampf wird dann in die untere Hälfte des Kastens geleitet, wo eine Kondensationsschicht den Dampf zu einer salzfreien, trinkbaren Flüssigkeit abkühlt.

Die Box wird schräg in ein größeres, leeres Gefäß gestellt, und ein Rohr von der oberen Hälfte der Box nach unten durch den Boden des Gefäßes gelegt. Anschließend läßt man die Box in Salzwasser schwimmen. In dieser Konfiguration kann das Wasser auf natürliche Weise durch das Rohr nach oben und in den Behälter gelangen, wo die Neigung des Behälters in Verbindung mit der Wärmeenergie der Sonne das Wasser beim Durchfließen verwirbelt. Die kleinen Wirbel tragen dazu bei, daß das Wasser mit der oberen Verdunstungsschicht in Kontakt kommt und das Salz weiter durch das Gerät zirkuliert und aus ihm heraus, anstatt sich abzusetzen und das System zu verstopfen.

Das Team baut mehrere Prototypen mit einer, drei und zehn Stufen und testet deren Leistung in Wasser mit unterschiedlichem Salzgehalt, darunter natürliches Meerwasser und siebenmal salzigeres Wasser. Mit einem 10-stufigen Gerät wird eine rekordverdächtige Solarwasser-Effizienz von 322 - 121 % bei einem Salzgehalt von 0 - 20 Gewichtsprozent erreicht, unter der Beleuchtung einer einzigen Sonne. Darüber hinaus wird mit einer 180-stündigen kontinuierlichen Entsalzung eine extreme Widerstandsfähigkeit gegen Salzakkumulation bewiesen.

Die Wissenschaftler schätzen, daß schon ein Entsalzungsgerät in der Größe eines Koffers 4 - 6 Liter Trinkwasser pro Stunde produzieren und mehrere Jahre halten könnte. Weitere Praxistests sollen nun die Tauglichkeit unter Beweis stellen. Der im Oktober veröffentlichte Artikel ,Extreme salt-resisting multistage solar distillation with thermohaline convection’ ist im Netz aufrufbar.

Im September 2024 folgt der im Netz einsehbarer Artikel ,Ultra-high freshwater production in multistage solar membrane distillation via waste heat injection to condenser’, in welchem die Wissenschaftler der Shanghai Jiao Tong University um Ruzhu Wang ein Konzept zur Erhöhung der Stufentemperatur (STB) vorschlagen, das Niedertemperaturwärme zu den Kondensatoren in den letzten Stufen leitet und so den Feuchtigkeitstransport in allen Stufen verbessert. Eine Analyse zeigt, daß 16-stufige Geräte, die durch Solarenergie und Abwärme angetrieben werden, effektiv mit bestehenden photovoltaischen Umkehrosmose-Systemen konkurrieren können.

Ebenfalls im September 2023 veröffentlichen Wissenschaftler des Harbin Institute of Technology um Xiaodong He den im Netz einsehbaren Artikel ,MXene-reduced graphene oxide sponge-based solar evaporators with integrated water-thermal management by anisotropic design’, in welchem sie über die Entwicklung von hierarchischen MXen-reduzierten Graphenoxid-Schwämmen mit anisotroper Wärmeleitfähigkeit und axial gerichteten Wasserleitungskanälen, die ein integriertes Wasser/Wärme-Management bieten.

Das reduzierte Graphenoxid dient als Schwammgerüst und Kohlenstoffquelle für die In-situ-Synthese von MXenen auf der Oberfläche. MXene sind zweidimensionale anorganische Verbindungen, die aus atomar dünnen Schichten bestehen und mit einer Vielzahl von hydrophilen Endungen versehen werden können. Ein axial ausgerichtetes Gerüst stützt die Struktur und bietet schnelle Wasserübertragungskanäle an der Luft-Wasser-Grenzfläche.

Gleichzeitig sind die MXen-Nanoblätter vertikal auf der Gerüstoberfläche ausgerichtet, wodurch die radiale Wärmeleitfähigkeit der Schwämme viel größer ist als die axiale, was den Wärmeverlust in axialer Richtung unterdrückt. Das Material weist eine Verdunstungsrate von 2,35 kg/m² pro Stunde auf und eine Energieeffizienz von 85 %. Darüber hinaus zeigt der Schwamm eine lange Lebensdauer, bei der nach einem 30-tägigen Dauerbetrieb 96 % der Verdunstungsrate erhalten bleibt.

Ein weiteres Team des MIT, diesmal um Gang Chen, berichtet im Oktober 2023 über die Entdeckung eines überraschenden neuen Phänomens, das photomolekularer Effekt genannt wird, in Anlehnung an den bekannten photoelektrischen Effekt.

Im Gegensatz zu dem, was noch immer an der Grundschule gelehrt wird, stellte sich nämlich heraus, daß Wärme nicht unbedingt notwendig ist, um Wasser verdampfen zu lassen. Tatsächlich kann auch Licht allein Wasser verdampfen - und dabei sogar effizienter sein als Wärme (,Plausible photomolecular effect leading to water evaporation exceeding the thermal limit’).

Verdunstung findet statt, wenn Wassermoleküle nahe der Flüssigkeitsoberfläche genügend Energie absorbieren, um als Wasserdampf in die darüber liegende Luft zu entweichen. Im Allgemeinen ist Wärme die Energiequelle, doch in den letzten Jahren haben verschiedene Wissenschaftlerteams bei ihren Experimenten mit in Hydrogelen gespeichertem Wasser Unstimmigkeiten festgestellt. Das Wasser verdampfte viel schneller, als es aufgrund der Hitzeeinwirkung möglich sein sollte, manchmal bis zum Dreifachen der theoretischen Höchstgeschwindigkeit.

Nach einigen grundlegenden Experimenten, um herauszufinden, was passiert sein könnte, stellen die Wissenschaftler die Hypothese auf, daß das Licht selbst für die übermäßige Verdunstung verantwortlich ist. Um dies zu überprüfen, wird eine Hydrogelprobe in einen Behälter auf einer Waage gelegt und nacheinander mit Licht verschiedener Wellenlängen bestrahlt. Dabei wird die Menge an Masse gemessen, die die Hydrogelprobe im Laufe der Zeit durch Verdunstung verliert.

Und tatsächlich verdampft das Wasser viel schneller, als es der thermische Grenzwert erlaubt. Es zeigt sich, daß Licht an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft Verdunstung herbeiführen kann, daß der Effekt von der Polarisation, dem Einfallswinkel und der Wellenlänge des Lichts abhängt, und daß die stärkste Wirkung im grünen Bereich des Lichtspektrums (520 nm) beobachtet werden kann, wie es in der Aufnahme gezeigt wird. Diese Abhängigkeit von der Farbe ist ein weiterer Beweis dafür, daß die Verdunstung nicht mit der Wärme zusammenhängt.

Als das Experiment im Dunkeln wiederholt wird, wobei mit Hilfe von Strom die gleiche Wärmemenge auf das Hydrogel aufgebracht wird wie zuvor im Lichtexperiment, bleibt die Verdunstungsrate des Wassers deutlich innerhalb der thermischen Grenze und weit unter derjenigen, die bei Lichteinwirkung erreicht wird. Als Erklärung des photomolekularen Effekts wird angenommen, daß Licht-Photonen ganze Clusters von Wassermolekülen nahe der Flüssigkeitsoberfläche ,abspalten’ könnten.

Die Forscher haben bereits einen Zuschuß vom Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab des MIT erhalten, um den Einsatz in der solarbetriebenen Entsalzung zu untersuchen, was ihrer Einschätzung nach deren Effizienz um das Drei- bis Vierfache steigern könnte. Möglicherweise läßt sich das Phänomen auch bei der Verdunstungskühlung nutzten, indem der Phasenwechsel für ein hocheffizientes solares Kühlsystem eingesetzt wird. Außerdem bekommen die Wissenschaftler Mittel aus den Professor Amar G. Bose Research Grants, um zu erforschen, ob sich der Effekt auch in der Natur auswirkt -  z.B. in Wolken oder auf der Meeresoberfläche - und damit die gegenwärtigen Klimamodelle durcheinander bringen könnte.

Ebenfalls öffentlich einsehbar ist ein im Januar 2024 erscheinender Artikel mit dem Titel ,Sustainable biomimetic solar distillation with edge crystallization for passive salt collection and zero brine discharge’, in welchem Forscher der Khalifa University in Abu Dhabi um TieJun Zhang ein biomimetisches Solardestillationsgerät vorstellen, das Mangroven (Avicennia marina) nachempfunden ist, deren Blätter eine Randkristallisation zeigen. Dadurch eignet sich das Gerät besonders gut zur passiven Salzsammlung ohne Soleabgabe.

Die kapillarbetriebene Zufuhr von Salzwasser und die kontinuierliche Dampferzeugung werden durch einen korrosionsbeständigen, porösen Dochtstamm und mehrschichtige Blätter gewährleistet, die aus superhydrophilen, nanostrukturierten Titannetzen bestehen. Ausgeschiedenes Salz am Blattrand bildet während der Verdunstung am Tag poröse Flecken, die nachts durch die Schwerkraft abgeschält werden, wenn das Salzwasser die Blätter wieder benetzt.

Der solare Dampferzeuger erreicht bei der Behandlung von synthetischem Meerwasser einen stabilen photothermischen Wirkungsgrad von etwa 94 %. Unter Außenbedingungen kann er aus echtem Meerwasser pro Quadratmeter 2,2 Liter Süßwasser pro Tag erzeugen. Auf der Abbildung sind Dampfgeneratoren mit langem und kurzem Stamm zu sehen, bei Verwendung von Wasser mit einem Salzgehalt von 3,5 bzw. 7 Gew.-% nach zwölf Stunden Beleuchtung.

Im März stellen Wissenschaftler um Muhammad Zaman Khan an der Universität Liberec in der Tschechischen Republik in einer im Netz einsehbaren Publikation ,Performance enhancement of the solar still using textiles and polyurethane rollers’ ein Solar-Destilliersystem vor, das sowohl kostengünstig als auch energieeffizient ist und gleichzeitig Nachhaltigkeit gewährleistet.

Das Gerät ist mit gewebebeschichteten Polyurethanwalzen mit Kapillarwirkung ausgestattet, die die die Verdampfungsfläche vergrößern, was zu einer deutlichen Leistungssteigerung führt. Ähnlich wie bei anderen Solardestillen kondensiert der Wasserdampf dann auf der geneigten Aluminiumplatte der Kühlkammer und sammelt sich als reines Wasser in der Destillatkammer.

Der von dem Team hergestellte solare Destillierapparat weist einen maximalen Systemwirkungsgrad von etwa 62,16 % auf. Davon ausgehend wird die durchschnittliche tägliche Destillatproduktivität auf 1,14 Liter pro Quadratmeter geschätzt.

Im Juni 2024 ist der Bericht ,Hollow carbon fiber wrapped by regular rGO wave-like folds for efficient solar driven interfacial water steam generation’ eines Teams um Xidong Suo an der Xinzhou Normal University zu erwähnen, der auch einsehbar ist. Darin geht es um einen solaren Verdampfer aus hohlen Kohlenstoffasern (HCF), die mit regelmäßigen wellenförmigen Falten aus reduziertem Graphenoxid (rGO) umwickelt sind.

Unter einer Sonneneinstrahlung (= Ein-Sonnen-Beleuchtungs-Norm von 1 kW/m²) erreichen die trockene und die feuchte Oberflächentemperatur 119,1°C bzw. 61,7°C, während die Wasserdampfproduktionsrate bei 3,42 kg pro Quadratmeter und Stunde liegt. Auch bei Experimenten im Freien zeigt das Testsystem eine gute Verdampfungsleistung, die bis zu 27,8 kg pro Quadratmeter und Tag erreicht. Dies ist primär auf die Mikrostruktur der HCF-Oberfläche zurückzuführen, die die Lichtabsorption verbessert.

Eine weitere im Juni veröffentlichte Untersuchung stammt von Forschern der Zhejiang University in Hangzhou um Xinsheng Peng. In dem einsehbaren Artikel ,Metal-organic frameworks for solar-driven desalination’ werden die jüngsten Entwicklungen bei der Funktionalisierung von MOF-Dünnschichten, Verbundwerkstoffen und MOF-basierten Derivaten sowie Strategien zur effizienten Meerwasserentsalzung mit MOFs unter Vermeidung von Salzablagerungen vorgestellt.

MOFs besitzen eine große spezifische Oberfläche und eine hohe Porosität, was sie ideal für verschiedene Wasseraufbereitungsanwendungen macht.

Darüber hinaus werden Entsalzungssysteme erörtert, die den Abbau von Schadstoffen und die Stromerzeugung integrieren, wodurch die Anwendungsszenarien solarbetriebener Grenzflächenverdampfer noch erweitert werden.

Ein dritter Bericht, im Juni 2024 erscheint und ebenfalls einsehbar ist, trägt den Titel ,Interfacial solar evaporation for zero liquid discharge desalination’ und befaßt sich mit Strategien für solare Grenzflächenverdampfer zur Behandlung von Abwässern mit hohem Salzgehalt einschließlich der rechtzeitigen Entfernung von Salzkristallen und der Verhinderung von Salzablagerungen auf photothermischen Materialien.

Die Wissenschaftler der Nanchang University um Zhenxing Wang stellen drei Designideen für Verdampfer vor, einschließlich der grundlegenden Prinzipien hinter diesen Strategien, bei denen eine vollständige Trennung von Wasser und gelösten Stoffen erreicht wird, so daß keine Flüssigkeit mehr austritt. Darunter befinden sich ein selbstrotierender Verdampfer, bei dem das kristallisierte Salz aufgrund der Schwerkraftverlagerung nach unten kippt und abfällt; ein von Wasserrädern inspirierter Verdampfer; sowie eine Variante, die sich durch ein zyklisches Wippen vom Salz befreit.

Im Juli 2024 folgt eine Veröffentlichung der University of Waterloo in Ontario, wo Forscher um Kam Chiu Tam an einem Solarverdampfer mit Doppelschichtstruktur (SDWE) und dynamischem Strömungsmechanismus arbeiten. Bei dem System sorgt eine poröse Polydopaminschicht (PDA) auf einem Nickelskelett für photothermische Funktionalität und Wassermikrokanäle, während die thermoreaktive Sporopolleninschicht auf der Unterseite als schaltbares Wassertor fungiert.

Mittels konfokaler Lasermikroskopie und Mikro-CT kann gezeigt werden, daß diese Struktur eine ständige Versorgung mit dünnen Wasserschichten gewährleistet und die Verdampfung durch Minimierung der latenten Wärme bei hohen Temperaturen verbessert. Darüber hinaus leitet das System einen Selbstreinigungsprozeß durch Wasserkonvektion ein, wenn die Temperatur aufgrund von Salzansammlungen sinkt, und sorgt so für eine höhere Verdunstungseffizienz.

Der einsehbaren Studie namens ,Thermo-adaptive interfacial solar evaporation enhanced by dynamic water gating’ zufolge erreicht das System eine hohe Verdampfungsrate von 3,58 kg pro Quadratmeter und Stunde und eine Effizienz von 93,9 %. Pro Tag und Quadratmeter können so aus Salzwasser 18 - 22 Liter gereinigtes Trinkwasser produziert werden.

Wie im November 2024 berichtet wird, befassen sich Wissenschaftler der Horus University in Ägypten mit der Leistungsverbesserung eines konischen solaren Destillationssystems durch den Einsatz verschiedener Energiespeichermaterialien, darunter Glaskugeln, Edelstahlkugeln, Sandsteine und schwarzer Kies. Die Studie mit dem Titel ,Maximizing solar distillation performance for conical solar still through varied energy storage materials’ ist im Netz einsehbar.

Der Versuchsaufbau, bei dem diese Materialien auf ihre Fähigkeit hin untersucht werden, den Energie- und Exergie-Wirkungsgrad zu verbessern und damit die Wasserverdampfung und die Destillatausbeute zu maximieren, beinhaltet die Verwendung identischer Größen der Materialien mit einem Durchmesser von 1,5 cm. Die Ergebnisse zeigen, daß Edelstahlkugeln mit 54,06 % die höchste Effizienz als Energiespeichermaterial aufweisen, und mit 9,45 Liter pro Quadratmeter und Tag auch die höchste Wasserproduktivität.

Ebenfalls im November stellen Forscher der University of South Australia (UniSA) um Prof. Haolan Xu zusammen mit Kollegen aus China ein neuartiges Verfahren der grenzflächenbasierten solarbetriebenen Verdampfung vor, mit dem Meerwasser schneller verdunstet als Süßwasser. Durch den Einsatz von kostengünstigen und weit verbreiteten Tonmineralien in einem schwimmenden photothermischen Hydrogelverdampfer erzielt das Team Meerwasserverdampfungsraten, die 18,8 % über denen von reinem Wasser liegen. Dies gilt als bedeutender Durchbruch, da frühere Studien alle zu dem Ergebnis kamen, daß die Verdunstungsraten von Meerwasser etwa 8 % niedriger sind als die von reinem Wasser.

Zu den verwendeten mineralischen Materialien gehörten Halloysit-Nanoröhrchen, Bentonit, Zeolith und Montmorillonit in Kombination mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Natriumalginat zur Bildung eines photothermischen Hydrogels. Die Mineralien reichern selektiv Magnesium- und Kalziumionen aus dem Meerwasser an den Verdunstungsflächen an, wodurch die Verdunstungsrate des Meerwassers erhöht wird.

Der Schlüssel zu diesem Durchbruch liegt in dem Ionenaustauschprozeß an der Luft-Wasser-Grenzfläche, der spontan während der solaren Verdunstung stattfindet, was ihn sehr praktisch und kostengünstig macht. Den Forschern zufolge behielt der Hydrogelverdampfer seine Leistung auch nach monatelangem Eintauchen in Meerwasser bei.

Eine weitere Studie, die im November veröffentlicht wird, ist ,Highly efficient solar steam evaporation via elastic polymer covalent organic frameworks monolith’ eines Teams der University of Science and Technology of China in Hefei.

Hierin geht es um einen dreidimensionalen solaren Verdampfer aus einem elastischen, kovalenten organischen Polymergerüst mit PEG-Ketten, die durch Bildung von Porphyrinringen hergestellt werden. Die entsprechenden PEG-Schäume zeigen eine Absorption des gesamten Spektrums des Sonnenlichts und hervorragende photothermische Umwandlungseigenschaften.

Durch ein gut durchdachtes Wärmemanagement und die Optimierung der Hydrophilie und der PEG-Kettenlänge wird ein Gerät mit einer Verdampfungsrate von 4,89 kg pro Quadratmeter und Stunde unter einer Sonne im autarken Betrieb geschaffen. Durch einen einfachen Kegelstumpfreflektor kann die solare Verdampfungsrate auf 18,88 kg pro Quadratmeter und Stunde erhöht werden und übertrifft damit alle bislang bekannten solaren Verdampfer. Aufgrund seiner einfachen Herstellung, hohen Effizienz und Langlebigkeit ist das innovative Design sehr vielversprechend für eine Umsetzung bei der Entsalzung und Wasseraufbereitung.

Im Dezember 2024 berichten die Blogs über eine Entsalzungsanlage auf Grundlage der PVT-betriebenen Direktkontakt-Membrandestillation (DCMD) für netzunabhängige Anwendungen in abgelegenen Gebieten, das von Wissenschaftlern der australischen Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) um Farzaneh Mahmoudi entwickelt wurde. Das mit einem photovoltaisch/thermischen (PV/T) Paneel betriebene, modulare und anpassungsfähige Design wird ausführlich in dem im Netz einsehbaren Bericht ,Sustainable desalination through hybrid photovoltaic/thermal membrane distillation: Development of an off-grid prototype’ beschrieben.

DCMD ist eine Art von Membrandestillationsverfahren (MD), bei dem beide Seiten der Membran in direktem Kontakt mit Wasser stehen. Sowohl bei der DCMD als auch bei der herkömmlichen MD wird salzhaltiges oder verschmutztes Wasser erhitzt, wodurch Dampf entsteht, der durch eine Membran strömt und die Verunreinigungen auf der heißen Zufuhrseite des Systems zurückhält. Auf der kalten Permeatseite hingegen wird der Dampf durch kalte Bedingungen abgekühlt und wieder in flüssiges Wasser umgewandelt. Der ,direkte Kontakt’ des Systems bezieht sich auf die Tatsache, daß sowohl die heiße als auch die kalte Seite in direktem Kontakt mit der Membran stehen.

Der aktuelle Versuchsaufbau der CSIRO basiert auf einem DCMD-Modul im Labormaßstab mit einer effektiven Membranfläche von 80 cm² unter Verwendung einer Polytetrafluorethylen (PTFE)-Membran. Das PV/T-Paneel hat eine elektrische Leistung von 375 W und eine thermische Leistung von 660 W. Die elektrische Leistung wird zum Betrieb einer Pumpe verwendet, die das Wasser im System zirkulieren läßt, sowie für zwei Lüfter mit je 100 W zur Kühlung des Frischwassers, das als Kühlmittel auf der Kühlseite dient, und für eine Batterie als Backup. Dabei zirkuliert das Speisewasser durch den Rückseitenwärmetauscher des PV/T-Panels und erhöht dessen Temperatur auf 40 - 70°C am Einlaß des MD-Systems.

Bei ihrem Laborexperiment verwenden die Wissenschaftler eine elektrische Wechselstromheizung, um eine konstante Temperatur von 60°C im Heizbad und 52°C im Speisetank aufrechtzuerhalten. Anschließende Versuche im Freien, die während zweier Wochen des australischen Sommers stattfinden, zeichnen einen durchschnittlichen Permeatfluß von 8 - 16 kg/m² pro Stunde auf, im Vergleich zu 22 - 30 kg/m² in den Räumen. Der Fluß bezieht sich auf die Geschwindigkeit, mit der das gereinigte Wasser durch die Membran fließt.

Der Stromverbrauch des Systems wird mit 130 - 140 W gemessen, was etwa einem Drittel der PV/T-Leistung entspricht, während der thermische und elektrische Wirkungsgrad zwischen 10 - 18 % bzw. 15 - 20 % liegt.

Zum Abschluß: Die wohl einfachste Form der solaren Destille ist die Adaption einer Überlebenstechnik, die eigentlich zur Allgemeinbildung gehören sollte: Um Trinkwasser aus der Bodenfeuchtigkeit zu gewinnen, wird ein trichterförmiges Loch gegraben, das mit einer Plastikfolie abgedeckt wird.

In deren Mitte wird ein Stein gelegt, um eine ebenfalls trichterförmige, aber flachere Form zu schaffen, und darunter (zuvor) ein Gefäß deponiert, welches das verdunstete und an der Folie kondensierende Wasser auffängt. Falls vorhanden, führt man einen Trinkschlauch von außen bis in das Gefäß.

Ist der Boden nicht feucht genug, kann man auch grüne Vegetation nehmen. Hat man Salz- oder Brackwasser zur Verfügung, ist die Ausbeute natürlich wesentlich höher.

Als nächstes werden solare Wasseraufbereitungsgeräte und -methoden präsentiert, die ebenfalls für den Einsatz in Ländern der 3. Welt gedacht sind. Ich behandle sie separat, da es hierbei explizit um verschmutztes oder verseuchtes Wasser geht und nicht um ‚sauberes’ Salzwasser.

 

Weiter mit der solaren Wasseraufbereitung...