TEIL C

Solare Wasseraufbereitung (Fortsetzung)

Im Februar 2016 wird über ein Projekt der in Schweden beheimateten Firma Watersprint AB und dem Yunus Centre in Dhaka berichtet, bei dem in Bangladesch in Regionen, wo es kaum Zugang zu sauberem Wasser gibt, solarbetriebene Wasserfilter installiert werden.

Die Idee für das Unternehmen entstand im Herbst 2013, als Ola Hansson und Prof. Kenneth M. Persson die Tatsache diskutierten, daß die herkömmliche UV-Technologie, die in den meisten Wasseraufbereitungsanlagen eingesetzt wird und auf Quecksilberdampflampen basiert, seit vielen Jahrzehnten nicht mehr weiterentwickelt wurde. Ultraviolette Lampen wurden bereits 1910 in Frankreich zur Inaktivierung von Mikroorganismen und zur Desinfektion von Wasser eingesetzt.

In der Zwischenzeit hatte sich die kommerzielle Nutzung von LEDs weit verbreitet und die Entwicklung der LED-Technologie war so weit fortgeschritten, daß Prototypen Licht im UVC-Bereich erzeugten. Mit Hilfe von Prof. em. Lars Montelius wird daher ein Prototyp entwickelt, der auf der neuen UVC-LED-Technologie basiert und schnell das Interesse der Weltöffentlichkeit und von Investoren auf sich zieht.

Auch Prof. Muhammad Yunus, Pionier der Mikrokredite und Friedensnobelpreisträger, dessen Zentrum in Bangladesch eine Denkfabrik für Fragen im Zusammenhang mit Sozialunternehmen ist, die im Bereich der Armutsbekämpfung und Nachhaltigkeit tätig sind, entdeckt die UVC-LED-Technologie, und nach einem Gespräch mit ihm im September 2015 entwickelt die Watersprint ein Filtersystem, das sich auch für stark verschmutztes Wasser eignet.

Das Micro Production Centre (MPC) nutzt UV-LEDs, um Wasser sehr effizient von Keimen zu befreien. Es wiegt gerade mal 16 kg, wobei jedes Gerät 600 Liter Wasser pro Stunde reinigen kann, und braucht so wenig Strom, daß ein kleines PV-Paneel ausreicht und gleichzeitig noch eine Batterie geladen werden kann, um rund um die Uhr sauberes Wasser zur Verfügung zu stellen. Das Gerät ist mit einer Software ausgestattet, die eine Warnung via SMS sendet, wenn eine Fehlfunktion am Filtersystem auftritt.

Im Rahmen eines Pilotprojekts werden Ende 2015 zehn Wasserreinigungssysteme nach Bangladesch gebracht, wobei Teil der langfristigen Ziele des Projekts ist, junge Menschen vor Ort in der Pflege und Wartung der MPCs zu schulen. Diese können dann das saubere Trinkwasser für eine kleine Summe weiterverkaufen. So sollen Besitz und Pflege der Filter in den Händen der jeweiligen Gemeinde liegen, anstatt von externen Teams abhängig zu sein.

Später wird ein Vertrag mit der UN geschlossen, um zusätzliche 500 MPCs in Bangladesch zu installieren, was sich aber nicht verifizieren läßt. Das Team hinter der Initiative wollte das Projekt bis 2030 auf weitere Länder ausdehnen, doch auch darüber ist nichts mehr zu erfahren. Beim Yunus Centre ist nur noch eine einzige Meldung vom November 2016 zu finden, als dort von der Social Busienss Youth Alliance (SBYA) das gemeinsam mit dem Grameen Telecom Trust durchgeführte Projekt ,YC Watersprint: A Social Business Ensuring Access to Safe Drinking Water for All’ vorgestellt wird, bei dem die schwedische UV-Technologie zur Reinigung von Flußwasser in Manikganj eingesetzt und getestet wird.

Dem Stand von 2025 zufolge gilt die Watersprint als eines der weltweit führenden Unternehmen im Bereich der nachhaltigen Wasserdesinfektion und bietet UVC-LED-Produkte der vierten Generation an. Auch auf der Homepage dieses Unternehmens gibt es keinerlei Hinweise mehr auf das MPC-Projekt.

Im August 2016 folgt ein weiterer Bericht des Massachusetts Institute of Technology (MIT), bei dem es diesmal um ein Team um den Maschinenbauingenieur Gang Chen geht, das vor zwei Jahren einen effizienten Solarabsorber zeigte, der aus einer Graphitschicht auf schwimmendem Kohlenstoffschaum besteht (s.o.), und nun ein billiges Solar-Destilliergerät aus Luftpolsterfolie und anderen einfachen Materialien vorstellt, das Wasser aufbereiten und auch Meerwasser in Trinkwasser verwandeln kann.

Bei dem Solarabsorber sind beide Schichten durchlöchert, so daß das darunter befindliche Wasser bis zum Graphit vordringen kann, wo es von der Sonne erwärmt wird. Das Gerät funktioniert zwar, aber ein Großteil der Energie des Sonnenlichts strahlt weg. Um Wasser auf den Siedepunkt von 100°C zu erhitzen, sind zusätzliche Geräte erforderlich, die das Zehnfache des Sonnenlichts bündeln, um die Infrarotverluste auszugleichen.

Um auf diese teuren Extras zu verzichten, ersetzen die Forscher den Graphit-Solarabsorber nun durch eine dünne Schicht aus einem bläulichen Metall-Keramik-Verbundmaterial, das in handelsüblichen Solar-Wassererhitzern verwendet wird und selektiv die sichtbaren und ultravioletten Strahlen der Sonne absorbiert, aber keine Wärme im Infrarotbereich abstrahlt. Zwischen diese Schicht und den Schaumstoff wird eine dünne Kupferplatte als Wärmeleiter gelegt. Anschließend werden Löcher durch die sandwichartigen Schichten gestanzt.

Da allerdings ein Großteil der vom Verbundwerkstoff absorbierten Energie durch Konvektion verloren geht, wird über das Gerät eine Schicht Luftpolsterfolie gepackt, die eine hervorragende Isolierwirkung hat. Damit kann die Anlage Wasser kochen und destillieren, ohne einen zusätzlichen Solarkonzentrator zu benötigen.

Chen schätzt, daß sich auf diese Weise großflächige solare Destillierapparate für etwa ein Zwanzigstel der Kosten herkömmlicher Technologien herstellen lassen. Um 50 Liter Wasser pro Tag zu liefern, werden 20 - 40 m² des Solar-Destilliermaterials benötigt. Und um für die Entsalzung oder andere Trinkwasseranwendungen nützlich zu sein, benötigt das Gerät eine weitere Kunststoff- oder Glasschicht, die den Wasserdampf auffängt.

Ebenfalls im August 2016 stellen Wissenschaftler des SLAC National Accelerator Laboratory des US Department of Energy und der Stanford University ein nanostrukturiertes Gerät vor, das sichtbares Licht verwendet und dadurch in der Lage ist, 99,999 % der Bakterien in nur 20 Minuten abzutöten.

Das viereckige Gerät ist ungefähr halb so groß wie eine Briefmarke und besteht es aus einem Glassubstrat, das mit ,Nanoflocken’ aus Molybdändisulfid beschichtet ist, die eine Art Labyrinth bilden. Diese Flocken sind hochkant gestapelt, so daß ihre Kanten nach oben zeigen. Jede dieser Kanten ist wiederum mit einer dünnen Schicht Kupfer beschichtet.

Wird das kleine Gerät in Wasser gelegt und der Sonnenstrahlung ausgesetzt, reagiert der Photokatalysator Molybdändisulfid mit dem Wasser und dem Sonnenlicht und gibt Elektronen frei, die im Wasser zu chemischen Reaktionen führen und antibakterielles Wasserstoffperoxid (H₂O₂) und andere ,reaktive Sauerstoffspezies’ bilden. Diese zerstreuen sich nach einiger Zeit und hinterlassen klares Trinkwasser.

Da UV-Strahlen nur 4 % der Gesamtenergie der Sonne ausmachen, dauert die Methode, eine Plastikflasche in die Sonne zu legen, damit die UV-Strahlen die Mikroben abtöten, üblicherweise 6 - 48 Stunden. Im Gegensatz dazu nutzt das nanostrukturierte Gerät auch den sichtbaren Teil des Sonnenspektrums, der 50 % der Sonnenenergie enthält - was die hohe Geschwindigkeit des Desinfizierungsprozesses erklärt.

Um sicherzustellen, daß bei dem Prozeß auch wirklich alle gängigen Bakterienarten getötet werden, sind den Wissenschaftlern zufolge aber noch weitere Experimente erforderlich.

Im Mai 2023 erscheint die Sache ein weiteres Mal in den Blogs, als die Wissenschaftler des SLAC und der Stanford University um Prof. Yi Cui ihre Methode in Form eines Pulvers vorstellen, das aus Nanoflocken aus Aluminiumoxid, Molybdänsulfid, Kupfer und Eisenoxid besteht - und das die Aufgabe in nur einer Minute erledigt, die sinst Stunden dauern würde. Dabei sind alle diese Stoffe leicht verfügbar und kostengünstig, und es wird nur eine kleine Menge des Pulvers benötigt, um eine relativ große Menge Wasser zu behandeln.

Nachdem der Anwender etwas von dem Pulver in verdorbenes Wasser in einer Flasche oder einem anderen durchsichtigen Gefäß verrührt und dem direkten Sonnenlicht ausgesetzt hat, absorbieren das Molybdänsulfid und das Kupfer Photonen aus dem Licht und fungieren als Halbleiter/Metall-Verbindung, die es den Photonen ermöglicht, Elektronen freizusetzen. Diese reagieren dann mit dem Wasser und bilden Wasserstoffperoxid und Hydroxylradikale, die die Bakterien abtöten, indem sie ihre schützenden Außenmembranen aufbrechen.

Sobald der Reinigungsprozeß abgeschlossen ist, zerfallen die Reste von Wasserstoffperoxid und Hydroxylradikalen schnell in Wasser und Sauerstoff, so daß das Wasser wieder trinkbar ist. Und aufgrund ihres Eisenoxidgehalts können die Nanoflocken für die Wiederverwendung zurückgewonnen werden, indem sie ein Magnet aus dem Wasser zieht.

Bei einem Test wird eine kleine Menge des Pulvers in ein 200-ml-Becherglas mit Raumtemperatur gegeben, das mit etwa einer Million E. coli-Bakterien pro Milliliter kontaminiert ist. Nachdem das Wasser nur 60 Sekunden lang dem natürlichen Sonnenlicht ausgesetzt worden war, konnten keine lebenden Bakterien mehr nachgewiesen werden. Darüber hinaus konnte das Pulver für 30 weitere Behandlungen wiederverwendet werden.

Im Januar 2017 wird auf dem YouTube-Kanal GOODTECH die Bauanleitung für die wohl einfachste Solardestille überhaupt veröffentlicht (,How to make a Solar Water Filter at home’).

Das Teil besteht aus zwei Plastikflaschen und einem passenden Rohrstück, der Zusammenbau erfordert nicht mehr als ein Schneidemesser und eine Heißklebepistole.

Es werden zwar keine Angaben dazu gemacht, wie lange der solare Reinigungsprozeß dauert und wieviel Wasser dabei trinkbar gemacht wird, doch sofern die Aufnahmen nicht gefaked sind, sollte die Menge zum Überleben ausreichen.

Ebenfalls im Januar 2017 berichtet die University of Edinburgh, daß Forscher um Prof. Neil Robertson eine kostengünstige und energiesparende Technologie zur Dekontaminierung von Abwasser in Dörfern entwickelt haben. Das solarbetriebene, netzunabhängige System filtert zunächst sichtbare Abfälle heraus und nutzt dann das Sonnenlicht, um hochenergetische Partikel zu erzeugen, die den Sauerstoff im Wasser aktivieren, um schädliche Schadstoffe und Bakterien zu vernichten und das Wasser trinkbar zu machen.

Die Arbeit der Forscher konzentriert sich auf die Entwicklung kostengünstiger Photokatalysatoren auf der Basis von Titandioxid, wobei die modifizierten solaraktivierten Materialien einfach an Behältern mit kontaminiertem Wasser angebracht werden, die in direktem Sonnenlicht stehen. Tests mit einem neuen Material namens Bismuttitanat (BTO-TiO₂), die am Indian Institute of Technology Kharagpur durchgeführt werden, zeigen, daß das BTO- TiO₂ besser abschneidet als die üblichen TiO₂-Photokatalysatoren.

Sobald die ersten Labortests abgeschlossen sind, werden Feldtests durchgeführt. Das Forschungsteam arbeitet hierbei mit dem Indian Institute of Science Education & Research in Pune zusammen, um ein fünfmonatiges Pilotprojekt in ländlichen Dörfern durchzuführen, bei dem die Technologie weiterentwickelt werden soll, um anschließend in größerem Maßstab eingesetzt zu werden.

Im gleichen Monat ist auch von Seiten eines Teams, das sich aus Mitgliedern der University at Buffalo (UB), der University of Wisconsin-Madison (UW-Madison) und der chinesischen Fudan University zusammensetzt, über die Entwicklung eines kostengünstigen neuen Solar-Destillierapparats zu hören, der die Effizienz der Wasseraufbereitung beträchtlich steigern soll. Der Solardestillator verwendet kohlenstoffbeschichtetes Papier und ist billiger und mehr als doppelt so effizient wie bestehende Geräte.

Der Solar-Dampfgenerator (Solar Vapor Generator),wie ihn die Forscher um Prof. Qiaoqiang Gan nennen, hat etwa die Größe eines Mini-Kühlschranks und besteht aus expandiertem Polystyrolschaum, der auf dem unbehandelten Wasser schwimmt, und einem porösen, hydrophilen, mit Ruß beschichteten Papier. Wenn das Gerät auf einem Gewässer schwimmt, absorbiert der Ruß das Sonnenlicht, um das vom Papier absorbierte Wasser zu erhitzen und zu verdampfen.

Anstatt den Großteil des Wassers zu erhitzen, konzentriert das neue Gerät seine Energie nur auf das Oberflächenwasser, das bei 44° C verdampft. Dadurch wird ein thermischer Wirkungsgrad von 88 % erreicht, was nach Ansicht des Teams einen Rekord darstellt. Infolgedessen kann das Gerät 3 - 10 Litern gereinigtes Wasser pro Tag produzieren, verglichen mit den 1 - 5 Litern pro Tag, die mit den meisten derzeit erhältlichen kommerziellen Destillierapparaten vergleichbarer Größe möglich sind. Und während Systeme, die Linsen und Spiegel verwenden, um das Sonnenlicht zu bündeln, bis zu 200 $ pro Quadratmeter kosten können, soll sich das neue Gerät für etwa 1,6 - 2 $ pro Quadratmeter bauen lassen.

Ein Prototyp des Systems mit den Maßen 10 x 10 cm, der im Inneren aus 25 zusammenhängenden Abschnitten aus Polystyrolschaum besteht, die von gefalteten Stücken des Papiers so bedeckt sind, daß die Enden nach unten ins Wasser hängen, wird auf dem Lasalle-See nahe der Universität getestet. Das Papier leitet das Wasser nach oben und benetzt so die gesamte Oberfläche jedes der 25 Abschnitte, die von einem schräg gestellten, durchsichtigen Acrylgehäuse bedeckt sind, das den Wasserdampf auffängt und in ein Sammelgefäß leitet. Nach fünf Stunden Betrieb liefert der Prototyp 14,5 g reines Wasser.

Die Studie ,Extremely Cost-Effective and Efficient Solar Vapor Generation under Nonconcentrated Illumination Using Thermally Isolated Black Paper’ ist im Netz einsehbar.

Im Mai 2018 folgen Berichte, denen zufolge das Absorbermaterial des Solar-Dampfgenerators inzwischen aus einer schwarzen, schwimmenden Scheibe aus einem zum Patent angemeldeten Hydrogel besteht, etwas kleiner als eine Langspielplatte und so dick wie ein Toast. Das Hydrogel setzt sich aus zwei Komponenten zusammen: Polyvinylalkohol (PVA), der dem Gel eine schwammartige Struktur mit hundertstel Millimeter kleinen Poren gibt, sowie Polypyrrol, das viel Licht schlucken kann und für die schwarze Farbe des Materials sorgt.

Die Forscher testen die Wirkung des Hydrogels an selbst gemischten Wasserproben, von salzarm (wie in der Ostsee) bis sehr salzig (wie im Toten Meer), sowie an einer realen Probe Meerwasser aus dem Golf von Mexiko. Die Erträge bleiben über 28 Tage stabil, und das destillierte Wasser ist in allen Fällen reiner, als es die WHO für Trinkwasser verlangt. Pro Quadratmeter lassen sich auf diese Weise mehr als 20 Liter sauberes Wasser täglich ernten. Mit Blick auf einen mobilen Einsatz arbeitet das Team bereits mit Industriepartnern an geeigneten Produktionsverfahren. Zugleich wird nach noch wirksameren Hydrogelen gesucht.

Anderen Meldungen zufolge wird derweil im Labor mit einem schwarzen, in Kohlenstoff getauchten Streifen aus faserreichem Papier gearbeitet, der die Form eines umgedrehten V hat. Die unteren Kanten des Streifens sind in Wasser getaucht, das er aufsaugt. Wenn das Sonnenlicht auf den Streifen trifft, erwärmt er sich, was die Verdunstung in Gang setzt. Und da das Wasser auf dem Streifen schnell verdunstet und sich dadurch unter die Temperatur der ihn umgebenden Luft abkühlt, entzieht er der Umgebung Wärme, was die Effizienz des Verdunstungszyklus erhöht und mehr Wasserdampf erzeugt.

Das von der National Science Foundation (NSF) finanzierte System, das auf die teuren Materialien verzichtet, die in anderen Versionen verwendet werden, bildet einen klaren Fortschritt gegenüber früheren Geräten, da der thermische Wirkungsgrad des solaren Verdampfungsprozesses dem Team zufolge bei 88 % liegt. Während die theoretische Obergrenze bislang bei 1,68 Litern pro Stunde und Quadratmeter lag, schafft die neue Technologie 2,2 Liter. Der Artikel mit dem Titel ,Cold Vapor Generation beyond the Input Solar Energy Limit’ ist im Netz einsehbar.

Das Team schätzt, daß sich mit einem Solarverdampfer von der Größe eines Mini-Kühlschranks jeden Tag 10 - 20 Liter sauberes Wasser erzeugen lassen. Mit Unterstützung der NSF soll nun ein Prototyp entwickelt werden.

Außerdem war an der UB bereits 2016 ein Start-Up namens Sunny Clean Water LLC gegründet worden, um die Technologie zu vermarkten. Die Firma wird im Februar 2018 von der NSF mit einem Zuschuß in Höhe von 225.000 $ bedacht, um das solarbetriebene Wasserreinigungsgerät weiterzuentwickeln. Im Oktober 2020 folgen weitere 1,4 Mio. $ von der U.S. Army, um das System im Laufe der nächsten zwei Jahre fertigzustellen.-

Im Februar 2021 folgen Berichte, daß die Forscher der UB zwischenzeitlich den Prototyp eines hybriden Geräts entwickelt haben, das nicht nur Sonnenenergie einfängt, um Wasser zu erhitzen, sondern gleichzeitig auch Gebäude drastisch kühlen kann, ohne Strom zu verbrauchen. Auch dieser Artikel mit dem Titel ,Hybrid concentrated radiative cooling and solar heating in a single system’ ist im Netz einsehbar.

Strahlungskühlungssysteme, die bereits in vielen Formen entwickelt wurden, absorbieren die Wärme aus dem Inneren eines Raums oder Gebäudes und geben sie in Form von Infrarotwellen an den Himmel ab. Ich berichte darüber ausführlich unter Cool Roof / White Roof.

Im Allgemeinen sind Wärmestrahlungspaneele so ausgerichtet, daß eine Seite zum Himmel zeigt, doch dem Team zufolge ist dies nicht die effizienteste Methode, da die Paneele Wärme von beiden Seiten abstrahlen, so daß ein Teil davon in Richtung Boden zurückgestrahlt wird. Bei dem neuen Design ist der Wärmestrahler so positioniert, daß die Wärme von beiden Seiten aufgefangen und in den Weltraum geleitet werden kann. Dazu steht der Wärmestrahler vertikal zwischen zwei V-förmig angeordneten Spiegeln, welche die Infrarotwellen dann in den Himmel reflektieren.

Die Spiegel bestehen aus zehn dünnen Schichten aus Silber und Siliziumdioxid und sind so konstruiert, so daß sie Wellen im mittleren Infrarotbereich des Strahlers reflektieren, während Wellen im sichtbaren und nahen Infrarotbereich des Sonnenlichts absorbiert werden. Dies verhindert, daß die Wärme der Sonne die kühlende Wirkung aufhebt, was wiederum den Wirkungsgrad verbessert.

Durch die neue Anordnung und die selektiven Spiegel verdoppelt sich die lokale Kühlleistungsdichte, was zu einer rekordverdächtigen Temperatursenkung führt. Bei den Experimenten mit einem 70 cm² großen Testmodell gelingt es, die Temperatur in einem Testgerät bei direkter Sonneneinstrahlung um mehr als 12°C und in einem simulierten nächtlichen Test um mehr als 14°C zu senken.

In bezug auf die vorliegende Übersicht ist das Wesentliche, daß die von den Spiegeln absorbierte Wärme sinnvoll genutzt werden kann - in diesem Test verwendet das Team sie, um Wasser auf 60°C zu erhitzen. Als nächstes soll eine Skalierung des Systems auf Dachgröße erfolgen.

Im März 2021 berichten Gan und sein Team, daß sie sich inzwischen mit der zweiten Hälfte des Wasserkreislaufs befassen, der Kondensation. In ihrer jüngsten Studie ,Vapor condensation with daytime radiative cooling’, die ebenfalls im Netz einsehbar ist, beschreiben sie ihren neuen Strahlungsdampfkondensator, der im Gegensatz zu anderen Taukollektoren, die nur nachts arbeiten können, bei direktem Sonnenlicht funktioniert und keine Energiezufuhr erfordert.

In diesem Projekt konstruiert das Team, zu dem auch Kollegen der Tsinghua University, der Nanjing University und der King Abdullah University of Science and Technology gehören, unter der Leitung des Postdoktoranden an der UW-Madison Ming Zhou einen kleinen Dampfkondensator aus einer dünnen Schicht des weithin verfügbaren, relativ billigen Polydimethylsiloxan (PDMS), das die Wärmestrahlung in dem für die Atmosphäre durchlässigen Fenster sehr effizient abgibt.

Diese Schicht wird über eine Silberunterlage gelegt, die das Sonnenlicht reflektiert. Durch die Kombination der beiden Materialien kann der Kondensator unter den Taupunkt gekühlt werden, was zur Kondensation führt.

Die Wissenschaftler hoffen, den Kondensator über ihr Unternehmen Sunny Clean Water zu vermarkten, indem sie ihn mit der solaren Dampferzeugung kombinieren. Ihre Idee ist es, ein System zu entwickeln, in dem unbehandeltes Wasser oder sogar Meerwasser verdampft wird und dann durch den Kondensator läuft, um es mit der Sonne als einziger Energiequelle zu reinigen. zudem hofft das Team, daß das System effizient genug ist, um Wasser direkt aus der Luft zu gewinnen.

An der Optimierung dieses Prozesses wird noch gearbeitet. Darüber hinaus weiterführende Informationen gibt es bislang nicht. Über diese Technologien findet sich mehr im Schwerpunkt PV-basierte Wasserkondensation.

Im Februar 2017 berichten die Fachblogs über das 2014 von Zack Juhasz, Vivian Levine und Shannon Kern gegründete Start-Up Tenkiv Inc. aus Sacramento, Kalifornien, das ein modulares System für erneuerbare Energien entwickelt hat, welches die Wärme der Sonne nutzt, um zunächst zur Wasserreinigung eingesetzt zu werden, aber auch zur Stromerzeugung für andere Anwendungen verwendet werden kann.

Bei der Wasseraufbereitung soll das System namens Nexus mit seinem Wasserentkeimungsmodul und nur einem einzigen PV-Paneel bis zu 1.000 Liter (andere Quellen: 2.000 Liter) pro Tag produzieren können, ohne auf externe Energie angewiesen zu sein. Das Unternehmen, das vom kalifornischen UC Solar Institute sowie von dem Wärmestrahler-Hersteller Rettig Germany GmbH unterstützt wird, geht eine Partnerschaft mit der Afghan Development Association ein, um Nexus-Pilotanlagen in ganz Asien und Afrika zu installieren. Der erste Einsatz soll in Afghanistan erfolgen.

Um die Geräte in Produktion zu nehmen, startet die Firma eine Crowdfunding-Kampagne auf Kickstarter, bei der Frühbucher das System zu Preisen ab 3.399 $ bestellen können. Die Kampagne ist auch erfolgreich, als 299 Unterstützer insgesamt 50.343 $ beisteuern, doch läßt sich nicht bestätigen, daß es tatsächlich zu einer Auslieferung gekommen ist, die eigentlich schon im Juli 2017 hätte beginnen sollen. Inzwischen ist die Firma von der Bildfläche verschwunden, was aus dem Geld geworden ist, ließ sich bislang nicht herausfinden.

Mitte Oktober 2017 bringt das gemeinsame ,Away Team’ des Massachusetts Institute of Technology (MIT), der Infinitum Humanitarian Systems Inc. (IHS) und der Roddenberry Foundation und als Reaktion auf den Hurrikan Maria ein WARP (Water Aid and Renewable Power) genanntes System nach Puerto Rico, das Solarenergie und sauberes Wasser in einem sehr kleinen und robusten Paket liefert, das speziell für den Katastropheneinsatz entwickelt wurde.

Die vollständig von der Sonne gespeiste Wasseraufbereitungsanlage verarbeitet bald darauf verschmutztes Stadtwasser und spendet täglich 850 Liter reines Wasser für den öffentlichen Verbrauch in der Küstenstadt Loíza. Als Standort wird der örtliche Boys and Girls Club ausgewählt, etwa eine Stunde östlich von San Juan. Regentonnen auf dem Dach bieten eine zusätzliche Wasserquelle, falls das städtische Wasser nicht mehr fließt.

Man hatte sich für Loíza entschieden, weil diese Gemeinde auf mehreren Ebenen Probleme hat. Die Einkommen sind die niedrigsten in Puerto Rico, die Arbeitslosigkeit ist am höchsten und die Infrastruktur ist äußerst fragil. Der Hurrikan Irma hatte die Stromversorgung zerstört, und zwei Wochen später zerstörte Maria das Trinkwasser und die Häuser. Als das WARP-System mit der Wasserabgabe beginnt, war Loíza bereits seit anderthalb Monaten ohne Wasser und Strom.

Das System - eine neue Version einer Generator-betriebenen Wasserreinigungsanlage, die die IHS/Roddenberry Foundation seit 2013 in von Katastrophen betroffenen Gemeinden auf der ganzen Welt installiert - kostet etwa 30.000 $ und produziert konstant rund 3.200 Liter pro Tag. Die Energieversorgung erfolgt durch ein Solarenergiesystem mit 16 flexiblen, ausrollbaren Solarmatten aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS)-Solarzellen, das von den Firmen GeoInnovation LLC aus Arizona und Energy Systems Group Inc. aus Indiana entwickelt worden war und bis zu 1.500 W Leistung bietet.

Das Team will als nächstes ein System entwickeln, das 4.000 Menschen pro Tag versorgen soll. Außerdem werden Geldmittel gesammelt, um das solarbetriebene WARP-System auch in den übrigen zwölf Boys and Girls Clubs in Puerto Rico zu installieren.

Im November 2017 veröffentlicht ein Team der University of Maryland (UMD) unter der Leitung von Liangbing Hu eine im Netz einsehbare Studie unter dem Titel ,Rich Mesostructures Derived from Natural Woods for Solar Steam Generation’, in welcher sie eine Methode der solaren Dampferzeugung beschreiben, die nicht auf Graphit oder Kupfer basiert, sondern auf Holz, das auf der Oberseite verkohlt wurde, damit es die Sonnenwärme besser aufnimmt.

Die Grundidee besteht darin, daß verschmutztes oder salziges Wasser durch ein an der Oberfläche befindliches Material, das durch Sonnenlicht erhitzt wird, nach oben gezogen wird, so daß das Wasser kocht, der entstehende Dampf aufsteigt, kondensiert und dann in Form von gereinigtem Wasser aufgefangen wird.

Die besten Ergebnisse werden mit Holz erzielt, das besonders porös ist, wie Pappel und Kiefer. Diese Poren ziehen das Wasser von unten in das Holz und bringen es durch die Kapillarwirkung an die sonnenerwärmte Oberfläche, wo es verdampft und weiteres Wasser von unten anzieht. Die für die Labortests verwendeten Holzblöcke sind etwa so groß wie eine Handfläche, doch Hu ist der Ansicht, daß sich die Technologie problemlos auf den Einsatz in Wasseraufbereitungsanlagen ausweiten läßt.

Ein weiterer Solarverdampfer, der von einem Team der University of Texas at Austin (UT) um Prof. Donglei ,Emma’ Fan entwickelt wurde, wird im Mai 2019 vorgestellt. Das Team hatte mit runden Papierstücken begonnen, die mit einem schwarzen Polymer namens Polypyrrol (PPy) beschichtet sind, das besonders gut Sonnenlicht in Wärme umwandeln kann. Das Papier war zunächst einfach flach auf den Boden in das Sonnenlicht gelegt worden, wo es sich als vielversprechend für das solare Verdampfen erwies, aber nicht effizient genug für den praktischen Einsatz.

Um dies zu erreichen, setzt Fan mehrere Papiere in einer rosenblütenähnlichen Anordnung in ein Glasgefäß, durch dessen stielartiges Rohr, das in ein darunter liegendes Gefäß führt, dann verschmutztes Wasser in die Papiere gesaugt wird. Es stellt sich heraus, daß bei diesem Aufbau mehr Sonnenlicht auf das Polypyrrol treffen kann, da Licht, das von einem Papier nicht absorbiert wird, auf ein anderes reflektiert wird.

Aufgrund der vergrößerten Flächen für die Dampfableitung verbessert das PPy-Origami die Wasserverdunstungsrate um mindestens 71 % im Vergleich zu einer planaren Struktur und weist eine solarthermische Energieumwandlungseffizienz von 91,5 % unter normaler Sonneneinstrahlung auf.

Der rosenförmige Solardverampfer ist in der Lage, über 1,9 Liter (andere Quellen: 2,12 Liter) gereinigtes Wasser pro Stunde und Quadratmeter Material zu produzieren. Die Technologie ist auch billig, denn die Herstellung jeder Struktur kostet weniger als zwei US-Cent. Dem Team zufolge stellt das Design das erste tragbare Niederdruck-Solardampfsystem dar.

Im September 2019 gewinnt die einundzwanzigjährige Anna-Luisa Besarra (o. Anna Luísa Beserra Santos, Bezerra), Gründerin von Aqualuz, den prestigeträchtigen Young Champions of the Earth Prize für ihr Gerät, das in Zisternen aufgefangenes Regenwasser durch Sonneneinstrahlung desinfiziert. Der Preis wird jedes Jahr vom UN-Umweltprogramm an junge Umweltschützer zwischen 18 und 30 Jahren für ihre herausragenden Ideen zum Schutz der Umwelt verliehen.

Die Aqualuz, die unter dem Motto ,Sicheres Trinkwasser für alle’ agiert (Safe Drinking Water For All, SDW), war 2015 in Salvador in Brasilien gegründet worden, wo 35 Millionen Menschen keinen Zugang zu Trinkwasser haben, weder aus dem Brunnen noch aus dem Wasserhahn.

Die Aqualuz-Lösung, die Beserra bereits im Alter von 15 Jahren , erfunden’ hatte, ist ein biologisch abbaubarer Partikelfilter, der das gesammelte Regenwasser mit Hilfe der Sonnenstrahlen reinigt, wobei ein Indikator seine Farbe ändert, wenn das Wasser trinkbar ist. Es braucht vier Stunden unter praller Sonne, um das Wasser zu desinfizieren. Die Erfindung ist kostengünstig, leicht zu warten und kann bis zu 20 Jahre halten. Nähere technische Details lassen sich aber nicht finden.

Aqualuz versorgt bereits 265 Menschen in Brasilien mit sauberem Trinkwasser und will bis Ende des Jahres weitere 700 Menschen erreichen. Zehn Liter aufbereitetes Wasser kosten dabei 2 US-Cent. Im Jahr 2022 sind es schon 1.500 Nutzer - und Anna hofft, in den nächsten drei Jahren die Herstellungskosten zu reduzieren und 1 Mio. Menschen zu erreichen, indem sie die Technologie in andere Länder in Amerika, Afrika und Asien bringt. Im April des Folgejahres wird von 20.000 Menschen berichtet, die Aqualuz nutzen, doch weitere Nachrichten gibt es bislang nicht.

Im Juli 2020 werden in den Blogs gleich zwei neue solare Verdunstungswasserreiniger vorgestellt.

Zum einen handelt es sich um ein Gerät, das Forscher der University of Science and Technology of China (USTC) in Hefei entwickelt haben und das aus mehreren Schichten aufgebaut ist. Die obere Schicht besteht aus Kohlenstoffnanoröhren, die die Wärme des Sonnenlichts effizient absorbieren. In der Mitte befindet sich eine Schicht aus winzigen, weniger als 200 µm große Glasbläschen, die ein wärmeisolierendes Aerogel bilden, das verhindert, daß die Wärme nach unten abgeleitet wird. Darunter gibt es eine Holzunterlage, unter der sich das Wasser befindet.

Die wichtigste Zutat sind jedoch Bakterien des Stammes Gluconacetobacter xylinus, die auf die Holzoberfläche aufgetragen werden, um sie dort fermentieren zu lassen. Wenn die Glasblasen und die Kohlenstoffnanoröhrenschichten hinzugefügt werden, bauen die Bakterien langfaserige Polymere um sie herum auf, die das Ganze zusammenhalten - sogenannte bakterielle Zellulose-Nanokomposite. Auf diese Weise wird das Wasser durch das Holz nach oben transportiert, wobei dessen natürliche poröse Struktur genutzt wird.

Wenn das Wasser die lichtabsorbierende Schicht Kohlenstoffnanoröhren auf der Oberseite erreicht, erwärmt es sich und verdunstet, wobei eine Verdampfungsrate von 2,9 kg pro Quadratmeter und Stunde und ein Wirkungsgrad von 80 % bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Dampf erreichen werden. Ein zusätzlicher Bonus ist, daß Holz und Kohlenstoff-Nanoröhrchen relativ billige und reichlich vorhandene Materialien sind.

Das zweite System stammt von einem Forscherteam der University of Rochester um Prof. Chunlei Guo, das zusammen mit der U.S. Army eine lasergeätzte Aluminiumplatte entwickelt hat, die eine einfache, dauerhafte und kostengünstige Möglichkeit darstellt, mit Hilfe von Solarenergie sehr effizient Wasser aufzubereiten. Das Projekt wird mit Mitteln der Bill and Melinda Gates Foundation, der National Science Foundation (NSF) und des US Army Research Office unterstützt.

Die Umsetzung der Technologie beginnt mit einer normalen Aluminiumplatte, die mit ultrakurzen Femtosekunden-Laserimpulsen behandelt wird, um eine offen gerillte Oberfläche zu erzeugen, die pechschwarz ist. Dadurch wird das Material hochgradig absorbierend und ,supersaugfähig’, so daß es wie ein Docht einen dünnen Wasserfilm aus einem Reservoir über die Metalloberfläche ziehen kann, sogar gegen die Schwerkraft.

Während dieses Vorgangs sammelt das pechschwarze Material die Energie der Sonne und kann sie zu nahezu 100 % speichern, um das Wasser zu erwärmen, während die in die Oberfläche geätzten Strukturen die intermolekularen Bindungen des Wassers verändern und dadurch die Effizienz des Verdunstungsprozesses noch einmal deutlich erhöhen.

Bei Tests reduziert die Platte typische Verunreinigungen wie Waschmittel, Farbstoffe, Urin, Schwermetalle und Glyzerin auf ein Niveau, das das Wasser trinkbar macht. Und da der Winkel der Paneele stufenlos eingestellt werden kann, so daß sie direkt der Sonne zugewandt sind, wird die Energieaufnahme maximiert. Darüber hinaus läßt sich die Oberfläche mit den offenen Rillen nach dem Gebrauch sehr leicht durch einfaches Absprühen reinigen.

Ebenfalls im Juli 2020 zeigen die Blogs ein neues Gerät, das von der Firma GoSun Inc. stammt. Um es in die Produktion zu übernehmen, initiiert das Unternehmen eine Crowdfunding-Kampagne auf Kickstarter, bei welcher der solarbetriebene Wasserreiniger nebst Pumpe zu Preisen ab 199 $ angeboten wird (vier Jahre später liegt der Preis bei 229 $).

Der Bedarf nach einem tragbaren solarbetriebenen Gerät, um Wasser zu filtern und zum Händewaschen zu nutzen oder zur Dusche zu leiten, scheint inzwischen recht groß geworden zu sein, denn das Ziel von 15.000 $ wird gewaltig übertroffen, als 1.353 Unterstützer insgesamt 483.795 $ aufbringen, um das Projekt zu verwirklichen. Die Auslieferung beginnt dann im März 2021.

Der GoSun Flow ist so konzipiert, daß er klein genug ist, um in einen Rucksack zu passen. Er nutzt die Sonnenenergie und einen 3-stufigen Patronenfilter, um 99,99 % der Krankheitserreger aus dem Wasser zu filtern: Der erste Filter ist eine Polypropylen-Filterscheibe, die große Partikel wie Schmutz, Rost und Sand entfernt. Der zweite ist ein hocheffizienter Kohlefilter, der gefährliche Chemikalien und Schwermetalle absorbiert. Und der dritte ist ein Nano-Aluminiumfaserfilter, der in einem Labyrinth von Fasern eine elektropositive Ladung erzeugt, die kleinste Partikel und Organismen im Wasser auffängt und abtötet. Der leicht austauschbare Filter reicht für 1.000 Liter, kann aber kein Salzwasser filtern, was seinen Einsatz in Küstengebieten limitiert.

Neben der Bereitstellung von sicherem Trinkwasser dient der GoSun Flow auch als tragbare Handwaschstation und heiße Dusche. Er verwendet eine USB-betriebene Pumpe, die pro Minute 1 Liter sauberes Wasser pumpen kann. Die Pumpe wird von einer Powerbank betrieben, die mit einer einzigen Ladung über 380 Liter Wasser pumpen kann und mit dem integrierten Solarpaneel wieder aufgeladen wird. Wie das Duschwasser beheizt wird, ist allerdings nicht zu erfahren.

Im Oktober folgen Berichte über das Konzeptprojekt eines solarbetriebenen Wasserdestillators namens Tuju, der von den angehenden Industriedesignern Mark Stanisic, Beth Streff und Landon Mason an der Virginia Polytechnic Institute and State University (Virginia Tech) stammt. Das Projekt will überall auf der Welt Trinkwasser zur Verfügung zu stellen, vor allem aber in Gebieten mit einer anhaltenden Wasserkrise, wie z.B. Haiti.

Das auf Zugänglichkeit, Effizienz und Praktikabilität ausgerichtete Gerät verwandelt Wasser durch die Nutzung von Solarenergie und einer Schwammtechnologie in Trinkwasser. Es wurde mit einer Reihe von Optionen für die Tragbarkeit entwickelt, so sind die Beine vom Becken abnehmbar und können zur Aufbewahrung in die Rillen auf der Rückseite gesteckt werden. Obwohl es keinerlei Details über die erwähnte Schwammtechnologie oder Leistungsdaten gibt, wird das Projekt beim European Product Design Award ausgezeichnet. Eiune Umsetzung ist bislang nicht erfolgt.

Vom März 2021 stammt eine Studie der amerikanischen Princeton University, wo ein Team um Prof. Rodney Priestly ein weiteres Filtergerät entwickelt hat, das durch die Sonne aktiviert wird. Dabei handelt es sich um ein kostengünstiges, flaches, schwammartiges Gerät, das Wasser aus einem See oder Teich ansaugt und gereinigtes Wasser abgibt, wenn es anschließend in die Sonne gelegt wird.

Das Herzstück des Filters ist ein Polymergel mit einer netzartigen Mikrostruktur, das von einer Schicht aus dunkel gefärbtem Polydopamin umgeben ist, das wiederum mit einer klaren Schicht aus Alginat überzogen ist, einer aus Algen gewonnenen Substanz. Läßt man das Gerät in relativ kaltem Wasser schwimmen, bleibt das Netz des Gels locker und offen. Wasser fließt durch die Poren in den beiden äußeren Schichten hinein und wird von den hydrophilen Molekülen im Gel angezogen. Die Poren des Alginats sind jedoch so klein, daß sie keine Schadstoffe oder Krankheitserreger durchlassen.

Wird der Filter anschließend aus dem Wasser genommen und dem Sonnenlicht ausgesetzt, erwärmt ihn das dunkle Polydopamin, wobei die hydrophoben Moleküle im Gel zueinander hingezogen werden. Dadurch zieht sich das Gel zusammen - und das gereinigte Wasser wird aus dem schwammartigen Material, das den natürlichen Luffa- oder Loofah-Schwämmen ähnelt, ausgewrungen und in einem Behälter aufgefangen.

Bei einem Test wird das Gerät zunächst eine Stunde lang in das 25ºC warme Wasser des Carnegie-Sees auf dem Princeton-Campus gelegt. Dann wird es herausgenommen und eine weitere Stunde ins Sonnenlicht gestellt, wo es sich auf 33°C erhitzt und das aufgesaugte Wasser abgibt, das sich als frei von Giftstoffen, Schwermetallen, Ölen, Mikroplastik und Krankheitserregern erweist. Es werden aber noch keine Angaben zur Leistung gemacht.

Im Februar 2023 veröffentlicht das Team einen weiteren Artikel über die bislang erzielten Verbesserungen. Demnach konnte die Filtrationsrate die die Hinzunahme weiterer Polymere um den Faktor vier erhöht werden, was den Schwamm so gut wie praxistauglich macht. Dieser Artikel ist unter dem Titel ,Quick-Release Antifouling Hydrogels for Solar-Driven Water Purification’ im Netz einsehbar.

Nun gibt es auch Zahlen: Ein Quadratmeter des rund 1 cm dicken Materials reicht aus, um unter simuliertem Sonnenlicht knapp vier Liter Wasser zu reinigen, wobei die Dauer des Vorgangs auf rund zehn Minuten beziffert wird. In dieser Zeit wird zumindest 70 % des aufgenommenen Wassers wieder abgegeben. Auch unter Lichtbedingungen, die einen teilweise bewölkten Himmel simulieren, gibt das Gel innerhalb von 15 - 20 Minuten eine ähnliche Menge Wasser ab. Anschließend kann die Prozedur von vorne beginnen, oder man läßt den Schwamm solange in der Sonne liegen, bis das restliche Wasser entwichen ist.

Bei den Labortests kann das Luffa-Hydrogel in zwei Behandlungszyklen die Chromverschmutzung von etwa 40 Teilen pro Million auf weniger als 0,07 Teile pro Million reduzieren, was dem zulässigen Grenzwert für Trinkwasser entspricht. Außerdem kann das Hydrogel wiederverwendet werden, indem man es einfach mit verdünnter Säure oder Ethanol abspült.

Mit dem Lexus Design Award wird im April 2021 die transportable Solardestille des Neuseeländers Henry Glogau prämiiert, Architektur-Absolvent der Königlich Dänischen Akademie der Schönen Künste, der sich damit gegen 2.079 Einreichungen aus 66 Ländern durchsetzt. Auch dieses Gerät nutzt das Sonnenlicht, um verschmutztes und Meerwasser in trinkbares zu verwandeln.

Die technisch einfache, leichte und vielseitige Struktur kann auf viele Arten und aus billigen, leicht erhältlichen Materialien zusammengebaut werden, um Gemeinschaften zu unterstützen - wobei das Design einen schattigen Treffpunkt schafft. Der tragbare Solardestillator besteht aus einer zweischichtigen wärmeabsorbierenden Kunststoffplane, die an einer einfachen Bambus-Stützkonstruktion aufgehängt ist und den ganzen Tag über von der Sonne erwärmt wird.

Verschmutztes oder Meerwasser wird in die untere Schicht des Baldachins gegossen, wo das reine Wasser verdunstet, während Salz, Krankheitserreger oder andere Verunreinigungen zurückbleiben. Der saubere Wasserdampf kondensiert in Form von Tröpfchen an der transparenten Kunststoffoberfläche, die mit von Blättern inspirierten Mikrorillen versehen ist, welche das Wasser in die Mitte der Struktur leiten, wo es in einen Auffangtrichter fließt und über einen Wasserhahn an der Unterseite abgezapft werden kann.

Im Gegensatz zu vielen anderen Designs geht Glogau auch die Umsetzung an, indem er eine vorgefertigte Version des Entwurfs entwickelt, die eine flach verpackte Dachstruktur und einen Trichter enthält. Ebenso legt er eine einfache Anleitung vor, um den Destillierapparat mit Hilfe von leicht zugänglichen, lokalen Materialien zu bauen, indem man eine Plastikflasche als Trichter und zwei wiederverwendete Plastikfolien, die zusammengenäht wurden, als Plane verwendet. Für die sanduhrförmige Stützstruktur werden Bambusstäbe und Gummibänder eingesetzt.

Eine dieser kreisförmigen Planen mit einem Durchmesser von 2,4 m soll 18 Liter gereinigtes Wasser pro Tag erzeugen. Es ist aber nichts darüber zu finden, daß das Projekt später weiterverfolgt wurde.

Im Mai 2021 berichten Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), daß sie ein neues chemisches Verfahren zur Elimination der weltweit das Trinkwasser verunreinigenden Hormone entwickelt haben, das die Photokatalyse nutzt und die Schadstoffe in potentiell sichere Oxidationsprodukte verwandelt. Da es sich um ein Verfahren handelt, daß großindustriell zur Anwendung kommen soll und nicht direkt mit Umsetzungen in der 3. Welt zu tun hat, wird es im Kapitelteil der Photokatalyse behandelt.

Eine besondere Methode zur Solar-Destillation stellt im Juli 2021 ein Team der russischen Ural Federal University (UrFU) vor, an dem auch Forscher der Northern Technical University im Irak beteiligt sind. Das experimentelle neue Solar-Destilliergerät geht über den herkömmlichen Aufbau solcher Geräte hinaus, der aus einem Becken mit ungenießbarem Wasser besteht, das unter einer transparenten Abdeckung angebracht ist, und bei dem es einige Zeit dauert, bis eine nennenswerte Menge an Trinkwasser produziert wird.

Mit dem Ziel, den Prozeß zu beschleunigen, installieren die Wissenschaftler ein horizontal ausgerichteten schwarzen Stahlzylinder in einem rechteckiges Becken mit einem aufklappbaren transparenten Deckel. Der Hohlzylinder wird von einem solarbetriebenen Motor langsam gedreht, wobei sich auf seiner Oberfläche kontinuierlich ein dünner Wasserfilm bildet. Da dieser Film sehr dünn ist, erwärmt sich das Wasser, aus dem er besteht, und verdunstet viel schneller, als wenn es nur in dem tieferen und kühleren Becken wäre.

Da der Zylinder das zu reinigende Wasser im Becken beschattet, wird dieses Wasser mit Hilfe einer solarbetriebenen Pumpe kontinuierlich durch einen externen Solarkollektor zirkuliert. Dies trägt dazu bei, das Wasser heiß zu halten, so daß es leichter verdunstet. Wie bei einem herkömmlichen Solardestillator läuft das entstehende Kondenswasser anschließend an der Innenseite der Abdeckung in eine Aluminiumwanne, die es wiederum in einen separaten Behälter leitet.

Wie nun zu erfahren ist, wurde ein Prototyp von Juni bis Oktober 2019 auf einem Dach in der russischen Stadt Jekaterinburg getestet, wobei sich der Zylinder mit einer Geschwindigkeit von 0,5 U/min drehte. Dabei wurde festgestellt, daß das Gerät im Vergleich zu einem herkömmlichen Solar-Destilliergerät in den Monaten Juni, Juli und August eine um 280 % höhere Effektivität bei der Produktion von Trinkwasser aufweist, die im September und Oktober sogar um 300 - 400 % höher ist.

Die Studie mit dem Titel ,Evaluation of distilled water quality and production costs from a modified solar still integrated with an outdoor solar water heater’, die im Oktober veröffentlicht wird, ist im Netz vollständig einsehbar. Die Wissenschaftler arbeiten nun daran, die Technologie noch effektiver zu machen und die Produktionskosten zu minimieren.

In diesem Zusammenhang sei auf ein ähnlich aufgebautes System zur Wasserreinigung hingewiesen, bei dem der rotierende Zylinder allerdings gekühlt wird. Der Bericht über diese Technologie stammt von Ernst J. Minhorst aus dem Jahr 2007, trägt den Titel ,Schlamm in Wasser verwandeln’ und befindet sich hier im Archiv.

Im April 2022 zeigt das Massachusetts Institute of Technology (MIT) den Prototyp einer tragbaren Aufbereitungsanlage für verkeimtes und salzhaltiges Wasser, die 9,25 kg wiegt und mit einem kleinen 20 W Solarpaneel pro Stunde 0,3 Liter bestes Trinkwasser liefert. Die Technik, die extrem wenig Strom verbraucht, funktioniert ohne die Notwendigkeit von Filtern oder Hochdruckpumpen und basiert auf Arbeiten von Prof. Jongyoon Han, der mit seinem Team seit zehn Jahren daran arbeitet.

Über den damals neuen Ansatz zur Meerwasser-Entsalzung, der Ionenkonzentrations-Polarisation genannt wird, habe ich bereits im Kapitelteil Solare Meerwasser-Entsalzungsanlagen berichtet (s.d.).

Das Rohwasser, das es zu reinigen gilt, fließt zwischen zwei Membranen hindurch, zwischen denen eine elektrische Spannung herrscht. Sie ziehen elektrisch positiv und negativ geladene Partikel an sich, so daß das Wasser im Zentrum davon befreit wird. Die Chlor- und Natriumionen sowie die negativ geladenen Viren und Bakterien sammeln sich in der Nähe der Membranen an, werden von Wasserstrahlen abgespült und in die Umwelt entlassen. Salzreste, die im Hauptstrahl verbleiben, werden in einer zweiten Komponente entfernt, der Elektrodialyse. Um die beiden Verfahren optimal aufeinander abzustimmen, wird ein maschinelles Lernverfahren eingesetzt.

Das Gerät ist so konstruiert, daß jeder Laie damit zurechtkommt. Er muß lediglich auf den Startknopf drücken und warten, bis das Ende des Prozesses signalisiert wird und das Trinkwasser entnommen werden kann. Nach der Durchführung von Laborexperimenten mit Wasser mit unterschiedlichem Salzgehalt und Trübungsgrad wird das Gerät am Bostoner Carson Beach getestet, wo es schon im ersten Lauf erfolgreich ist, als das resultierende Wasser die Qualitätsrichtlinien der Weltgesundheitsorganisation übertrifft.

Später wird ein funktionsfähiger Prototyp mit einer Produktionskapazität von 10 Litern pro Stunde (LPH) konstruiert, der aus folgenden Komponenten besteht: 5-Mikron-Vorfilter, 10-LPH-ICP-Entsalzungsmodul, Zulaufpumpe und zwei Ablaufpumpen, Steuergerät und solarbetriebene Batterie. Die bisherigen Forschungen wurden zum Teil vom DEVCOM Soldier Center, dem Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS), dem Experimental AI Postdoc Fellowship Program der Northeastern University und dem Roux AI Institute finanziert.

Ebenfalls im April melden Forscher der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL), daß sie einen preiswerten Filter mit photokatalytischer Wirkung entwickelt haben. Das Team um Prof. László Forró hat hierfür Titandioxid-Drähte mit einem Durchmesser von wenigen Nanometern mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen kombiniert und daraus ein feines Netz gewebt. Bei dem Prototyp des flachen Geräts tritt das Wasser über einen Schlauch an der Oberseite ein, fließt zwischen zwei Glasscheiben durch das mehrschichtige Verbundmaterial und tritt durch einen weiteren Schlauch an der Unterseite wieder aus.

Die Energiequelle der Miniatur-Wasserreinigungsanlage ist der ultraviolette Anteil des Sonnenlichts, der in Kombination mit Titandioxid freie Radikale wie Wasserstoffperoxid, Hydroxide und Sauerstoffionen erzeugt, die mit allem reagieren, was ihnen in die Quere kommt. Diese Moleküle sind hochwirksam bei der Abtötung schädlicher Bakterien und Viren. Die Ergänzung durch Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die Wärme aus dem Sonnenlicht zu absorbieren, beschleunigt diesen Reinigungsprozeß.

Das Team testet den Filter mit Wasser, das von Escherichia coli verseucht ist, einem fast immer in Abwässern vorhandenen Darmbakterium, das vor allem bei Kleinkindern zu schwerem Durchfall führt. Der Filter erweist sich als ein sehr effizientes Wasseraufbereitungsgerät, das die gefährlichen Bakterien zuverlässig abtötet, ebenso wie Salmonellen und Legionellen. Selbst Verunreinigungen wie Arzneimittelrückstände und Pestizide werden wirkungsvoll zerstört.

Das derzeitige Modell in kleinem Maßstab kann 2 Liter Wasser pro Tag aufbereiten. Die Zugabe einer kleinen Menge von Goldnanopartikeln zu dem Verbundstoff könnte die Leistung weiter steigern. Jetzt hofft Forró, daß die Industrie die Innovation aufgreift. Der Bericht ,Solar water purification with photocatalytic nanocomposite filter based on TiO₂ nanowires and carbon nanotubes’ ist im Netz einsehbar.

Im März 2023 erscheint in den Blogs ein weiteres Konzept, das diesmal von dem britischen Industriedesigner Hans Ramzan aus London stammt. Auch der Wasserreiniger Stil nutzt die Sonnenenergie für die Trinkbarmachung des Wassers ohne dabei Strom zu benötigen, der in abgelegenen Gebieten häufig nicht verfügbar ist.

Statt dessen besitzt der aus einem undurchsichtigen Bambusverbundstoff bestehende Behälter eine kuppelförmige Fresnel-Linse, die das Sonnenlicht aus allen Winkeln auffängt und auf einen dicken Metallstab im Kern des Wassers richtet, diesen erhitzt und das Wasser zum Verdampfen bringt.

Es gibt eine abgedeckte Überlauföffnung, die verhindert, daß sich das Schmutzwasser mit dem sauberen Wasser vermischt, und während die Füllstandsanzeige für schmutziges Wasser nur ein Streifen ist, ist der Behälter für sauberes Wasser völlig transparent. Zudem sind die Teile so konstruiert, daß sie zur Reinigung leicht auseinandergenommen werden können. Dem Designer zufolge soll Stil pro Tag bis zu 12 Liter sauberes Wasser liefern können. Bislang handelt es sich aber nur um einen Entwurf.

Im August sind es Forscher um Alaa Ghamrawi von der École de technologie supérieure (ÉTS) in Kanada, die über eine neu entwickelte PV-betriebene Wasserreinigungstechnologie auf der Grundlage der kapazitiven Deionisierung (CDI) berichten. Diese Technik wird zunehmend zur Entfernung ionischer und polarisierbarer Substanzen aus Wasser eingesetzt und wird üblicherweise für die Entsalzung von Wasser mit einer geringen oder mäßigen Salzkonzentration verwendet.

Der Prototyp des Systems verwendet ein PV-Paneel, das an eine kapazitive Membran-Entsalzungszelle (MCDI) angeschlossen ist, die auch die Durchflußmenge als Steuerparameter verwendet. Ein Speichermedium zwischen dem PV-Paneel und der CDI-Entsalzungszelle wird nicht benötigt. Die Technologie soll außerdem niedrige Betriebskosten, eine verbesserte Energieeffizienz und einen geringeren Wasserrückhalt als herkömmliche Klärtechniken aufweisen.

Bei Tests unter verschiedenen Betriebsbedingungen kann die PV-gespeiste MCDI-Zelle an einem sonnigen Sommertag 28 Liter entsalztes Wasser produzieren, verglichen mit 24 Litern bei einer herkömmlichen MCDI-Einheit. Als nächster Schritt soll mit einem kommerziellen Design begonnen werden.

Wissenschaftler der University of Cambridge um Prof. Erwin Reisner präsentieren im November 2023 ein schwimmendes, solarbetriebenes Gerät, das verschmutztes Wasser oder Meerwasser gleichzeitig in gereinigtes Wasser und sauberen Wasserstoff verwandeln kann. Es funktioniert mit jeder offenen Wasserquelle und benötigt keine externe Energie.

Inspiriert wurde das Gerät von der Photosynthese, doch im Gegensatz zu früheren Versionen des ,künstlichen Blattes’, das Wasserstoff aus sauberen Wasserquellen erzeugt, funktioniert das neue Gerät auch mit verschmutztem Wasser oder Meerwasser. Bislang mußte die solarbetriebene Wasserspaltung mit absolut reinem Wasser erfolgen, da jegliche Verunreinigungen den Katalysator vergiften oder unerwünschte chemische Nebenreaktionen hervorrufen kann.

Die Forschungsgruppe entwickelte nun einen Entwurf, der auch mit verunreinigtem Wasser funktioniert, indem sie auf einem nanostrukturierten Kohlenstoffnetz einen Photokatalysator aufbrachten, das sowohl Licht als auch Wärme gut absorbiert und den Wasserdampf erzeugt, den der Photokatalysator zur Erzeugung von Wasserstoff benötigt. Das poröse Kohlenstoffnetz, das so behandelt wurde, daß es Wasser abweist, dient sowohl dazu, den Photokatalysator schweben zu lassen, als auch ihn vom Wasser fernzuhalten, so daß Verunreinigungen seine Funktion nicht beeinträchtigen.

Für die Wasserstoffproduktion durch Wasserspaltung verwendet das Team eine weiße, UV-absorbierende Schicht auf der Oberseite des schwimmenden Geräts, wobei der lichtgetriebene Prozeß zur Herstellung von Solartreibstoffen nur einen kleinen Teil des Sonnenspektrums nutzt, während das restliche Licht auf den Boden des Geräts übertragen wird, wo das Wasser verdampft. Der Bericht mit dem Titel ,Hybrid photothermal–photocatalyst sheets for solar-driven overall water splitting coupled to water purification’ ist im Netz einsehbar.

Im Sommer 2024 installiert die erst 2022 gegründete gemeinnützige Schweizer Hella Boccara Stiftung in Bandrefam im Kamerun den Prototyp einer Anlage namens Clean Photon, die verschmutztes Wasser mittels ultravioletter Solarstrahlung und photokatalytischen Verstärkern desinfiziert, um Trinkwasser zu gewinnen. Das System wurde vom Training- und Transferzentrum der Stiftung in Portugal entwickelt, wo auch Vorführmodelle im Einsatz sind, und von der Kameruner Valprocam-Gruppe aus Bankim realisiert.

Das verschmutzte Wasser fließt zuerst durch einen Vorfilter, der Partikel zurückhält, in den Behälter, dessen der Sonne zugewandte Seite mit einer extrem haltbaren Fluorpolymer-Membran bedeckt ist, die für das gesamte Sonnenlicht-Spektrum transparent ist .Im Inneren des Behälters sind lichtlenkende Lamellen teilweise dem Photokatalysator beschichtet. Die Lamellen leiten das Licht im Zickzack durch das Wasser, und die Photokatalysatorpartikel interagieren mit dem Licht und erzeugen hochreaktive OH-Radikale.

Die serienreifen CleanPhoton-Module sind tragbar und können kombiniert werden, um die Kapazität des solaren Trinkwasseraufbereitungssystems zu erhöhen. Leistungswerte oder Ertragsmengen werden bislang nicht genannt.

 

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