Mehr Strom erzeugen mit Osmose

Sind Salz- und Süßwasser durch eine poröse Membran voneinander getrennt, wandern Ionen durch die Barriere hindurch – und erzeugen eine kleine elektrische Spannung. Bisher erreichen solche Osmosekraftwerke eine Leistung von höchstens 2,2 Watt pro Quadratmeter an Membranfläche. In der Fachzeitschrift „Science Advances“ berichten Wissenschaftler nun, dass sich die Stromausbeute mit doppelschichtigen Membranen aus speziellen Kunststoffen signifikant steigern lässt.

„Der größte Teil des Stroms ging bisher in der Membran selbst verloren – aufgrund des hohen inneren Widerstands und von Aufheizeffekten“, erläutern Xuanbo Zhu von der Jilin-Universität im chinesischen Changchun und seine Kollegen. Zudem würden sich herkömmliche Membranen während der Ionenwanderung an der Oberfläche aufladen und dadurch den weiteren Stromfluss verringern. Diese Schwachstellen umgingen Zhu und sein Team nun mit einer etwa elf Mikrometer dünnen Doppelmembran, deren Ladungsdichte und Porosität sich kontrollieren lässt. Für die halbdurchlässige Membran wählten die Wissenschaftler zwei Kunststoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften: Im Wasser bilden sich auf der Oberfläche des einen Materials negative Ladungen aus, auf der Oberfläche des anderen dagegen positive. Etwa ein Viertel der Membranfläche ist zudem von kleinen Poren mit Durchmessern zwischen 8 und 17 Nanometern durchsetzt.

Prototyp des Osmosekraftwerks

In ihren Experimenten trennten die Forscher mit der Doppelmembran zwei Wasserreservoire voneinander. Der Gehalt an Kaliumchlorid entsprach auf einer Seite dem Salzgehalt von Meerwasser, auf der anderen Seite dem von Flusswasser. Von der salzigeren Seite wanderten nun negativ geladene Chloridionen durch die Membran in das weniger salzige Wasser. Positiv geladene Kaliumionen konnten die Membran dagegen nicht durchdringen. Der an den Elektroden gemessene Stromfluss hing vom Salzgehalt in den beiden Reservoiren ab: In den Versuchen mit Meer- und Flusswasser verzeichneten Zhu und seine Kollegen eine Leistung von rund 2,7 Watt pro Quadratmeter. War die Konzentration auf der einen Seite 500-fach höher als auf der anderen, stieg die Leistung sogar auf 5,1 Watt pro Quadratmeter. Mit einer Spannung von etwa einem drittel Volt und einem Strom von einem halben Mikroampere reichte diese Ausbeute zum Betrieb eines Taschenrechners aus.

Auch nach 120 Stunden im Dauerbetrieb nahm der Stromfluss nicht ab. Zhu und sein Team sind davon überzeugt, dass sich die von ihnen entwickelte Doppelmembran ohne große Schwierigkeiten auch im Großformat herstellen lässt. Damit ausgestattete Osmosekraftwerke könnten dann an Flussmündungen, wo sich süßes Flusswasser mit salzigem Meerwasser durchmischt, installiert werden. Eine Membran mit einer Fläche von etwa tausend Quadratmetern – platzsparend angeordnet in einer mehrschichtigen Anlage – könnte rein rechnerisch etwa ein halbes Dutzend Haushalte mit Strom versorgen.