Trinkwasser aus dem Solarverdampfer

2,1 Milliarden Menschen haben laut dem aktuellen Weltwasserbericht 2019 der Vereinten Nationen keinen Zugang zu sauberem und durchgängig verfügbarem Trinkwasser. Zwar kann die Entsalzung von Meerwasser diesen Mangel teilweise beseitigen, doch benötigen die bisher genutzten Verdampfungsanlagen viel Energie. Solarverdampfer stellen dafür eine nachhaltige Alternative dar, da sie ausschließlich mit Sonnenlicht betrieben werden. Einen besonders effizienten Prototyp haben chinesische Wissenschaftler nun auf der Basis von Nanofasern aus Cellulose entwickelt. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nano Letters“ berichten, können damit auf einer kleinen Fläche von einem Quadratmeter bis zu drei Liter Trinkwasser pro Stunde gewonnen werden.

Für ihren Prototyp nutzten Qing-Fang Guan und seine Kollegen an der University of Science and Technology of China in Hefei möglichst viele natürliche und günstige Materialien. Zunächst sprühten sie eine Nährflüssigkeit mit Bakterien der Art Gluconacetobacter xylinus auf ein dünnes Holzbrett. Daraufhin produzierten die Mikroben durch einen Fermentationsprozess 20 bis 100 Nanometer durchmessende Nanofasern aus Cellulose. Nach etwa einem Tag bildete sich ein Netzwerk aus diesen Nanofasern, das sich auch in die Holzschicht ausbreitete und so einen guten Wassertransport gewährleistete.

Doch die bakteriellen Nanofasern allein genügten nicht, um große Wassermengen nur durch die Wärme des Sonnenlichts zu verdampfen. So fügten die Forscher auf der Oberfläche eine hauchdünne Schicht aus dunklen Kohlenstoffnanoröhrchen hinzu, die Sonnenlicht über den gesamten Spektralbereich – vom ultravioletten bis zum infraroten Licht – absorbieren können. Um die Sonnenwärme zusätzlich an der Oberfläche zu konzentrieren, verwendeten sie sehr kleine, hohle Glaskügelchen als Isolationsschicht an der Grenze zum Holz. Die Glaskügelchen und Kohlenstoffnanoröhrchen wurden dabei durch das Netzwerk der Cellulosefasern in einer stabilen Schicht zusammengehalten und auf dem Holzbrett fixiert.

Die Effizienz dieses Solarverdampfers analysierten Guan und seine Kollegen unter künstlichem Sonnenlicht. Nachdem Wasser von der Unterseite in das Holz eindrang, wurde es über die Nanofasern zur Oberfläche transportiert. Die Oberfläche wiederum wurde vom Sonnenlicht bis auf knapp 40 Grad Celsius aufgeheizt. Diese Wärme reichte aus, um pro Stunde und Quadratmeter bis zu 2,9 Liter Wasser zu verdampfen. 80 Prozent der Sonnenenergie konnte so zur Verdampfung des Wassers genutzt werden. Für diese hohe Effizienz sind vor allem die Nanofaser verantwortlich. Denn innerhalb der Fasern sinkt der Wärmebedarf, um Wasser zu verdampfen. Diese sogenannte Verdampfungsenthalpie des Wassers konnte um etwa 60 Prozent im Vergleich zum theoretischen Wert reduziert werden.

Um zukünftig in sonnenreichen Küstenregionen Meerwasser zu entsalzen, ließe sich dieser Solarverdampfer prinzipiell günstig und im großen Maßstab produzieren. Allerdings blieb die Stabilität der Nanofasern bislang nur für gut zwei Wochen intakt. Doch mit einem optimierten Produktionsverfahren hoffen die Forscher die Haltbarkeit der Solarverdampfer auf mindestens mehrere Monate zu verlängern.