Clevere Materialien machen es einfacher, sauberes Wasser aus der Luft zu ziehen

Wassertropfen auf einer Glasscheibe LUM3N | Unsplash

Die Versorgung der Weltbevölkerung mit sauberem Trinkwasser ist eine der großen technischen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. In einigen Ländern hat mehr als die Hälfte der Bevölkerung keinen Zugang zu sauberem Wasser, und weltweit hat jeder Dritte keinen Zugang zu grundlegenden sanitären Einrichtungen, für die Wasser von entscheidender Bedeutung ist.

Dies ist eine bedeutende Ursache für Durchfall und allgemein schlechte Gesundheit. Einigen Schätzungen zufolge sterben jeden Tag mehr als 5.000 Kinder an den Folgen einer durchfallbedingten Erkrankung. Daher ist es ein wichtiges Ziel, Wege zu finden, um sauberes Wasser zu produzieren.

Das Problem ist, dass die meisten Techniken für arme Länder unerschwinglich teuer sind. Herkömmliche Ansätze wie Destillation, Umkehrosmose und Abwasserrecycling sind energieaufwändig und teuer. Und passive Techniken, die auf Solarenergie angewiesen sind, erfordern exotische Materialien und Solarkonzentratoren, die sperrig und teuer sind.

Aber es gibt eine andere Technik, die das Potenzial hat, dieses deprimierende Kalkül zu ändern: die Tauernte. Dabei wird Luft so gekühlt, dass der darin enthaltene Wasserdampf kondensiert und aufgefangen werden kann. Diese passive Technologie birgt ein großes Potenzial für die Gewinnung von Süßwasser, da eine erhebliche Menge an Wasserdampf in der Atmosphäre gespeichert wird, sagen Minghao Dong und Kollegen von der Southeast University in Nanjing, China.

Das wirft einige offensichtliche Fragen auf. Wie viel Wasser kann auf diese Weise geerntet werden? Und wie sammelt man sie am besten?

Heute berechnen Minghao und Kollegen zum ersten Mal die grundlegenden Grenzen der Tauerntetechnologie. Anschließend beschreiben sie, wie ein einfacher Wechsel zu herkömmlichen Techniken den Nutzen und Ertrag erheblich verbessern könnte.

Zuerst etwas Hintergrund. Passive Dew Harvester bestehen aus einem Kondensator, einer dünnen, flachen Materialbahn, die Wärme in den Nachthimmel abstrahlt (Tau Harvester arbeiten im Allgemeinen nur nachts). Der Kondensator ist gegen den Boden isoliert, damit er keine Wärme von unten aufnehmen kann.

Da der Kondensator nachts Energie abstrahlt, sinkt seine Temperatur und kühlt die unmittelbar angrenzende Luft. Sinkt die Temperatur der Luft unter den Taupunkt (die Temperatur, bei der Luft mit Wasserdampf gesättigt ist), kondensiert der Dampf.

Natürlich ist die Effizienz dieses Prozesses empfindlich gegenüber einer Vielzahl von Faktoren, insbesondere der Umgebungstemperatur der Luft, ihrer relativen Feuchtigkeit und der Rate, mit der der Kondensator Wärme abstrahlen kann.

Im Laufe der Jahre haben Physiker berechnet, wie viel Wasser ein solches Gerät produzieren kann, wenn der Kondensator ein perfekt strahlender schwarzer Körper ist. Aber Minghao und Kollegen sagen, dass all diese Analysen einen offensichtlichen Punkt übersehen: Sie berücksichtigen nicht richtig, wie reale Materialien Wärme abgeben oder wie die Erdatmosphäre einige Lichtwellenlängen effizienter überträgt als andere.

Infolgedessen wurden die grundlegenden Grenzen dieser Technik nicht richtig geklärt, was es schwierig macht, die Leistung der Experimente zu bewerten und festzustellen, ob diese Technologie unter verschiedenen Bedingungen anwendbar ist, insbesondere in relativ trockenen Gebieten, sagen sie.

Sie haben diese Faktoren also erstmals einbezogen. Dadurch konnten sie beurteilen, wie sich verschiedene Materialien verhalten werden.

Ihre Methode ist unkompliziert. Minghao und Kollegen weisen darauf hin, dass die Wellenlängen, bei denen die Erdatmosphäre am transparentesten ist, bekannt sind. Sie sagen, es sei sinnvoll, einen Kondensator zu verwenden, der bei diesen Frequenzen emittiert, anstatt einen, der über alle Wellenlängen emittiert. Sie nennen einen solchen Kondensator einen selektiven Emitter und vergleichen ihn mit der Leistung eines schwarzen Emitters

Die Ergebnisse sind ein Hingucker. Die Forscher sagen, dass die Anpassung des Emissionsgrads des Kondensators an die Transmissionseigenschaften der Atmosphäre erhebliche Verbesserungen ermöglicht. Bei einer Umgebungstemperatur von beispielsweise 20 °C (68 °F) und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 40 % kann ein schwarzer Strahler auf keinen Fall Wasser ernten. Im Gegensatz dazu könnte der selektive Emitter 13 Gramm pro Quadratmeter und Stunde [Tau ernten], sagen sie.

Das ist eine bedeutende Erkenntnis. Es ist der Unterschied zwischen der Möglichkeit, nachts an einem Ort wie der Mojave-Wüste Tau zu ernten, und überhaupt keinem Wasser.

Die Forscher haben einen Kondensator mit den erforderlichen energieabgebenden Eigenschaften entworfen. Ihr Design besteht aus dünnen Schichten aus drei verschiedenen Materialien auf einer Aluminiumbasis. Diese Schichtstruktur emittiert am besten bei den Wellenlängen, bei denen die Atmosphäre am transparentesten ist.

Das ist eine interessante Arbeit mit dem Potenzial für eine breite Anwendung. Minghao und Kollegen sagen, dass die Tauernte sowohl in feuchten als auch in trockenen Gebieten von Vorteil sein könnte: Erstere umfassen Inseln und Küstenstädte, die von Meerwasser umgeben sind, das nicht trinkbar ist, während letztere Wüsten umfassen, denen jegliche Form von Trinkwasser fehlt.

Und die geringen Kosten dieser Art von passivem Design sind ebenfalls wichtig. Diese passive Frischwassergewinnungstechnologie würde bestehende Technologien ergänzen, insbesondere in ländlichen und einkommensschwachen Gebieten, wo die Kosten ein großes Problem darstellen, sagen sie.

Wenn es auch nur einem kleinen Bruchteil derjenigen, die derzeit kein Wasser haben, sauberes Trinkwasser bringen kann, wird dies ein bedeutender Gewinn für die Menschheit sein.

Mindestens ein Startup, Null-Masse-Wasser , versucht bereits, ein ähnliches Gerät zu kommerzialisieren, das Wasser aus der Luft ziehen kann, während andere Wissenschaftler ihre Fähigkeiten weiter vorantreiben, einschließlich einer Zusammenarbeit zwischen Forschern der University of California, Berkeley und dem MIT (siehe Wie man Wasser aus der Luft zieht , sogar in den trockensten Teilen der Welt).

Ref: arxiv.org/abs/1909.05757 : Grundlegende Grenzen der Dew-Harvesting-Technologie

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