Ingenieure aus Australien und China haben ein schwammartiges Gerät erfunden, das Wasser aus dünner Luft auffängt und mithilfe von Sonnenenergie in einen Becher abgibt. Es funktioniert selbst bei niedriger Luftfeuchtigkeit, bei der andere Technologien wie Nebelfilter und Strahlungskühlung versagen. Das Gerät blieb über einen weiten Bereich von Luftfeuchtigkeit (30 bis 90 Prozent) und Temperatur (5 bis 55 °C) wirksam.
Trinkwasser aus Luft – mit Sonnenenergie
Der leitende Forscher Dr. Derek Hao von der RMIT University in Melbourne erklärte, dass die Erfindung auf der veredelten, von Natur aus schwammigen Struktur von Balsaholz beruhe. Dieses wurde so modifiziert, dass es Wasser aus der Atmosphäre aufnehmen und bei Bedarf wieder abgeben kann.
Der vom Forschungsteam entwickelte Holzverbundstoff ist so konzipiert, dass er genau in einen Behälter mit einem kuppelförmigen Deckel, einer Anti-Verschmutzungsschale, einem Kühlmechanismus und einem von der Sonne betriebenen Aktivierungssystem passt. „Milliarden von Menschen auf der ganzen Welt haben keinen Zugang zu Trinkwasser, und Millionen sterben jedes Jahr an durch Wasser übertragenen Krankheiten“, sagte Hao, der als Materialwissenschaftler und Umweltingenieur an der School of Science des RMIT tätig ist.
Hao war korrespondierender Autor der Studie, die in Zusammenarbeit mit fünf chinesischen Forschungseinrichtungen unter der Leitung von Dr. Junfeng Hou von der Zhejiang A&F University durchgeführt wurde. „Unser Team hat ein Gerät erfunden, das ein schwammiges Holzgerüst, Lithiumchlorid, Eisenoxid-Nanopartikel, eine Kohlenstoff-Nanoröhrenschicht und andere spezielle Eigenschaften enthält“, so Hao. Das Team nutzte Künstliche Intelligenz, um die Wasserauffang- und -ableitungsleistung des Geräts unter verschiedenen Umweltbedingungen genau vorherzusagen und zu verbessern.
Auch bei nur 30 Prozent Luftfeuchtigkeit
Bei dem schwammartigen Material, das sich noch in einem frühen Stadium der Laborentwicklung befindet, wird bei geöffnetem Deckel Feuchtigkeit aus der Atmosphäre aufgenommen. Wenn der Deckel unter Sonneneinstrahlung geschlossen wird, wird Wasser in den Becher abgegeben.
Unter Laborbedingungen nahm das Wasser-aus-Luft-Gerät bei 90 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit etwa 2 ml Wasser pro Gramm Material auf. Unter Sonneneinstrahlung gab es innerhalb von zehn Stunden fast das gesamte Wasser wieder ab – mehr als die meisten anderen bekannten Methoden und zu geringeren Kosten. Mit neun Schwammwürfeln, die jeweils 0,8 g wiegen, können 15 ml Wasser aufgenommen und in den Becher abgegeben werden.
„In Tests im Freien nahm unser Gerät über Nacht 2,5 ml Wasser pro Gramm auf und gab das meiste davon tagsüber wieder ab, wodurch eine tägliche Wassersammeleffizienz von 94 Prozent erreicht wurde“, so Hou. Bei einer Luftfeuchtigkeit von 30 Prozent nahm das Gerät etwa 0,6 ml Wasser pro Gramm auf. Diese Ergebnisse unterstreichen das Potenzial des Geräts für den Einsatz in netzunabhängigen, solarbetriebenen Wasserauffangsystemen.
Vorteile des von der Natur inspirierten Designs
Laut Hao senkt die Verwendung von natürlichem Holz als Matrix nicht nur die Kosten, sondern sorgt auch für strukturelle Integrität und verbessert durch seine poröse Architektur den Wassertransport. „Diese Eigenschaften ermöglichen die großflächige Herstellung des Materials und seinen Einsatz in realen Anwendungen wie der Wassergewinnung in abgelegenen oder trockenen Regionen“, sagte er.
Das Gerät behielt auch nach einer 20-tägigen Lagerung bei -20 °C seine Flexibilität und wasserabsorbierende Funktion, was eine hervorragende Frostbeständigkeit beweist. „Seine Leistung bei der Feuchtigkeitsaufnahme und -abgabe war über zehn aufeinanderfolgende Zyklen hinweg stabil, mit einer Abnahme der Effizienz von weniger als zwölf Prozent.“
Mögliche Anwendungen und Skalierbarkeit
Laut Hao eignet sich das Gerät für Notfallszenarien, zum Beispiel nach Naturkatastrophen, bei denen die Wasserversorgung gefährdet ist. Das Team kann die modulare Innovation dann skalieren und verbessern. „Die derzeitige Demonstrationseinheit hat eine Größe von 15 mm3. Es wäre sehr einfach, eine größere Einheit herzustellen. Es wäre sehr einfach, eine größere Einheit herzustellen, oder wir können die Einheiten verwenden, um ein Array zu bilden“, sagte Hao.
„Die Fähigkeit, Trinkwasser nur mithilfe von Sonnenlicht aus der Atmosphäre zu gewinnen, macht das Gerät in Katastrophengebieten, in denen die traditionellen Wasserquellen versiegen, von unschätzbarem Wert. Die Tragbarkeit des Systems und seine Abhängigkeit von erneuerbaren Energien erhöhen seine Anwendbarkeit in solchen Situationen noch weiter.“ Hao fügte hinzu, das Material sei mit Blick auf Skalierbarkeit und Erschwinglichkeit entwickelt worden.
„Der Hauptbestandteil, Balsaholz, ist weit verbreitet, biologisch abbaubar und günstig, und der Herstellungsprozess ist nicht komplex, was eine Massenproduktion ermöglichen könnte.“ Die nachgewiesene stabile Leistung über mehrere Zyklen und unter verschiedenen Umweltbedingungen deutet auf Langlebigkeit und Kosteneffizienz hin.“
Neuartiges System für Krisenregionen und Notfälle
Hao sagt, das Team sei mit potenziellen Industriepartnern über die Produktion im Pilotmaßstab und den Einsatz vor Ort im Gespräch. Der Einsatz kann in modulare Systeme zur Wassergewinnung aus der Luft integriert werden. „Sonnenkollektoren in Kombination mit thermischen Energiespeichern könnten einen Betrieb rund um die Uhr ermöglichen, insbesondere in Gebieten mit unregelmäßigem Sonnenlicht“, sagte er.
Die Entwicklung automatischer Kontrollsysteme mithilfe von Internet-of-Things-Sensoren zur Überwachung der relativen Luftfeuchtigkeit, der Temperatur und der Sonnenintensität könnte die Wassergewinnungszyklen weiter verbessern. „Aufbauend auf dem künstlich intelligenten Design, das in der Studie verwendet wurde, könnten fortschrittlichere Designplattformen entwickelt werden, um neue Materialkombinationen zu testen und die langfristige Wasseraufnahme und -abgabe vorherzusagen“, sagte er.
