Wasser aus der Wüstenluft

Written by on 21. Dezember 2021

Ein neues Verfahren kann bereits bei extrem niedriger Luftfeuchtigkeit große Mengen an Trinkwasser generieren. Das System setzt auf Materialien mit einer großen inneren Oberfläche, sogenannte Metall-organische Gerüste (MOF), die sich dadurch sehr gut für die Adsorption von Feuchtigkeit eignen. Die gesammelte Flüssigkeit wird durch Sonnenlicht wieder freigesetzt.

MOFs werden häufig bei Gasen verwendet, können aber auch genutzt werden, um Wasser wie ein Schwamm aufzunehmen und sogar aus trockener Luft zu extrahieren. Die Technologie, die theoretisch Wüstenwasser aus der Luft gewinnen könnte, ist noch nicht ausgereift – doch ein deutsch-amerikanisches Forscherteam konnte das Verfahren nun weiter optimieren.

MOFs bestehen aus Metall und organischen Materialien die eine poröse Struktur aus kleinen Hohlräumen mit einer großen inneren Oberfläche bilden. Bereits 2015 haben Forscher spezielle Aluminium-MOFs gebaut, die selbst bei einer typischen niedrigen Wüstenfeuchtigkeit von 20 % Wassermoleküle einfangen können. Mit Hilfe von Sonnenlicht kann dem getränkten MOF-Schwamm ohne zusätzliche Energie Wasser entzogen werden: Das Wasser verdunstet aus den Nanoporen und kondensiert an den Kühlkörpern. Dann kann es zum Sammelbehälter in Trinkwasserqualität geführt werden. Ein Prototyp des Systems konnte bereits mit einem Kilogramm MOF pro Tag fast drei Liter Wasser aus der Wüstenluft gewinnen.

Es ist noch nicht klar warum Wassermoleküle in Aluminium-MOFs so gut zurückgehalten werden. Die Ursache hat das Forscherteam um Joachim Sauer von der Humboldt-Universität in Berlin mithilfe von Röntgenkristallographie und quantenchemischen Rechnungen in MOF-Kavitäten herauszufinden versucht. Die Beobachtungen zeigen deutlich, wie und wo Wassermoleküle auf atomarer Ebene im Gerüst eingeschlossen werden. Dabei zeigt sich, dass auch die Wechselwirkungen der Wassermoleküle untereinander eine wichtige Rolle spielen: Während sich Wassermoleküle im MOF zunächst mit organischer Materie verbinden, bilden letztere Wassermoleküle im MOF zunächst Ketten dann Cluster und schließlich ein Netzwerk von Clustern. Die Studie wurde in der Zeitschrift “Science” veröffentlicht.

Für die Funktion des Wassersammlers ist es wichtig, dass die ersten Wassermoleküle nicht zu fest an die MOFs gebunden werden, da sonst das Wasser nicht einfach aus dem Material herausgeschleudert werden kann. Durch Beobachtungen und mit experimentellen Computermodellen ist es den Forschern nun gelungen, MOFs zu entwerfen die die Bausteine ​​von Wassermolekülen bilden, aber gleichzeitig nicht zu fest an organischer Materie kleben.

„Die Entwicklung hydrophiler Materialien basierte bisher auf dem Prinzip von Versuch und Irrtum. Nachdem wir nun verstanden haben, wie die molekulare Evolution der Wasserstruktur in metallischen Werkstoffen funktioniert, können wir diese gezielt auf atomarer Ebene optimieren. “ erklärte Sauer in einer Stellungnahme. Je nach Außentemperatur und Luftfeuchtigkeit verhalten sich Wassermoleküle unterschiedlich. Die Studie könnte nun helfen, eine Reihe umweltoptimierter MOFs herzustellen, die sogar bei niedrigen Temperaturen in kälteren Regionen eingesetzt werden könnten.


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