Neues Material zieht Trinkwasser aus knochentrockener Luft

Der Mittelmeerraum wird heißer und trockener, und Regen bleibt zunehmend aus. Ein Team der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel hat nun ein poröses Material fertigungsreif gemacht, das Trinkwasser direkt aus der Luft gewinnt, selbst wenn diese trocken wirkt. Der Stoff trägt den Namen CAU-10-H und gehört zur Klasse der metallorganischen Gerüstverbindungen, kurz MOFs, deren winzige Poren Wassermoleküle wie ein Schwamm aufnehmen und wieder abgeben. Der Name selbst verrät die Herkunft: CAU steht für Christian-Albrechts-Universität, die Zahl Zehn markiert den Platz im Katalog der Kieler Verbindungen, und das H verweist auf die wasserstoffbasierte chemische Gruppe im Material.

Wasser aus nahezu trockener Luft

Die meisten Materialien für die Feuchtigkeitsgewinnung brauchen recht hohe Luftfeuchtigkeit, um zuverlässig zu arbeiten. CAU-10-H beginnt dagegen schon bei rund siebzehn Prozent relativer Luftfeuchtigkeit bei Raumtemperatur, Wassermoleküle einzufangen, Bedingungen, die viele Systeme längst als zu trocken abschreiben würden. Um das gespeicherte Wasser wieder freizusetzen, genügt eine Erwärmung auf etwa siebzig Grad Celsius, eine Temperatur, die sich mit Sonnenwärme oder Abwärme aus der Industrie erreichen lässt, ohne teuren Strom zu verbrauchen. Kombiniert mit einem elektrisch leitfähigen Kohlenstoffschaum verkürzt sich der Zyklus zusätzlich, sodass ein kontinuierlicher Betrieb mit wenigen Stunden pro Durchgang möglich wird. Unter trockenen Bedingungen nimmt das Material bis zu 0,17 Gramm Wasser pro Gramm auf, was hochgerechnet 1,8 Liter Trinkwasser pro Tag und Kilogramm Verbundmaterial ergibt. Bei rund dreißig Prozent Luftfeuchtigkeit steigt die Aufnahme sogar auf etwa 308 Milligramm Wasser pro Gramm.

Vom Labor in den 750-Liter-Reaktor

Chemieprofessor Norbert Stock vom Institut für Anorganische Chemie und sein Team entdeckten CAU-10-H bereits vor fünfzehn Jahren, verfolgten seine Weiterentwicklung seither aber konsequent weiter. Mit Unterstützung des Validierungsfonds der Universität übertrug die Gruppe die Herstellung nun in einen 750-Liter-Reaktor und produzierte 27,5 Kilogramm des trockenen Materials, fast sechzig Mal mehr als jede frühere Laborcharge. Ohne einen Verarbeitungsverlust wären sogar rund 29,6 Kilogramm möglich gewesen. Die Eigenschaften blieben beim Hochskalieren erhalten, und frühere Untersuchungen zeigten zudem, dass Wasseraufnahme und -abgabe über mindestens zehntausend Zyklen stabil bleiben. Die Produktionskosten liegen nach Schätzungen des Teams bei zwölf bis vierzehn US-Dollar pro Kilogramm. Damit rückten praktische Anwendungen der Materialien in greifbare Nähe, so Stock. Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse in zwei Fachjournalen, dem Journal of Materials Chemistry A und Industrial & Engineering Chemistry Research.

Zweiter Nutzen: effizientere Kühlung mit Abwärme

Neben der Wassergewinnung eignet sich CAU-10-H auch als Kältemittel. In Adsorptionskälteanlagen verdreifacht es die Leistung gegenüber Silicagel, dem seit Jahrzehnten üblichen Trockenmittel. Solche Anlagen nutzen Wärmeenergie statt Strom, etwa die Abwärme eines Rechenzentrums oder einer Bäckerei, um Räume zu kühlen, ohne das Stromnetz zusätzlich zu belasten. Forscher Lasse Wegner betont, dass gerade diese Kombination aus Wassergewinnung in ariden Regionen und effizienter Kühlung das Material besonders vielseitig macht. Der Sprung von wenigen Gramm im Labor zu Kilogramm-Mengen in einem industriellen Reaktor scheitert bei vielen vielversprechenden Materialien, doch CAU-10-H hat diesen Schritt bereits hinter sich und dazu einen realistischen Preis pro Kilogramm. Der nächste Schritt sind reale Testanlagen außerhalb des Labors. Bestätigen sich die Werte dort, könnte CAU-10-H zu einem festen Baustein werden, um dort Trinkwasser zu gewinnen, wo der Regen längst ausbleibt.

via Universität Kiel