Wasser für die Welt

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Im Kampf gegen verheerende Dürren suchen Ingenieure nach besseren Methoden, um salziges und schmutziges Wasser aufzubereiten. Sie müssen dabei nicht nur technische Probleme überwinden.

Selbst für das dürregeplagte Kalifornien ist San Diego ein besonders schwerer Fall. Die Großstadt im äußersten Südwesten der USA bekommt noch weniger Regen ab als das bereits staubtrockene Los Angeles. Sie verfügt über weniger Grundwasserreserven als die meisten anderen Städte des sonnenverwöhnten Bundesstaats. Sie muss 80 Prozent ihres Wasserbedarfs importieren.

Und das aus zunehmend unzuverlässigen Quellen: Der Colorado River, der sich von den Rocky Mountains bis zum Golf von Kalifornien erstreckt, wird so stark geschröpft, dass er seine Mündung oft gar nicht mehr erreicht. Und der Sacramento River, über ein komplexes System von Kanälen und Aquädukten mit Südkalifornien verbunden, liefert kaum noch Wasser. Es fehlt der Nachschub durch Regen und Schnee in den Bergen der Sierra Nevada.

San Diego hat reagiert: In Carlsbad, einer Küstenstadt nördlich der kalifornischen Metropole, lässt die Bezirksregierung für eine Milliarde Dollar die größte Meerwasserentsalzungsanlage der westlichen Hemisphäre bauen. Wenn das Projekt 2016 fertig ist, wird es täglich mehr als 380 Millionen Liter Salzwasser aus dem Pazifik saugen und in 200 Millionen Liter Trinkwasser verwandeln. Das sind zwar nur zehn Prozent des Gesamtbedarfs von San Diego County, aber es sind zehn verlässliche und dürresichere Prozent – ein Schutz gegen noch schlechtere Zeiten.

Zunehmend auf Entsalzung setzen

San Diego, heiß, trocken und immer dichter bevölkert, zeigt, wohin die Reise geht: In zehn Jahren, schätzen die Vereinten Nationen, werden weltweit 1,8 Milliarden Menschen unter Wassermangel leiden – und sie werden zunehmend auf Entsalzung setzen. Die Technik ist bequem und relativ leicht umzusetzen. Sie ist jedoch auch umweltschädlich, energieintensiv und unglaublich teuer. Ingenieure suchen daher nach Möglichkeiten, die Entsalzung billiger und sparsamer zu machen. Für John Lienhard, Direktor des Center for Clean Water and Clean Energy am Massachusetts Institute of Technology (MIT) im amerikanischen Cambridge, führt am Salzwasser kein Weg vorbei: "Angesichts des Wachstums der Küstenstädte wird die Bedeutung der Meerwasserentsalzung rapide zunehmen", sagt der Maschinenbauer.

Die Idee ist nicht neu: Forscher versuchen seit mehr als 50 Jahren, diese Ressource als Trinkwasser zu nutzen. In Ländern wie den Golfstaaten, in denen Energie reichlich vorhanden ist und kaum etwas kostet, kommt dabei noch heute ein Verfahren zum Einsatz, das Ingenieure "mehrstufige Entspannungsverdampfung" nennen: Die Wärme eines Kraftwerks erhitzt das Meerwasser auf bis zu 120 Grad Celsius. Es beginnt zu kochen. Sein Dampf kondensiert an genau jenen Röhren, durch die das kalte Meerwasser in die Anlage gepumpt wird. Da Salze einen viel höheren Siedepunkt haben, bleiben sie in der Lake zurück. Reines, destilliertes Wasser entsteht. Mit einem Energieverbrauch von bis zu 25 Kilowattstunden pro Kubikmeter Trinkwasser ist das Verfahren allerdings höchst ineffizient.

Die meisten modernen Anlagen setzen daher auf die sogenannte Umkehrosmose – auch das Werk in Carlsbad: Von einer nahe gelegenen Lagune führen Rohre zu 18 Betontanks, ein jeder so groß wie ein Haus. Die Behälter sind mit Sand und Kohle gefüllt, um das Meerwasser zu filtern. Von dort aus presst ein Edelstahlrohr, ein Meter im Durchmesser, das Wasser in 2.000 Glasfaserröhren. Darin ist eine halb durchlässige Membran aus dem Kunststoff Polyamid aufgerollt.

Osmose – nur umgekehrt

Sie erledigt die eigentliche Aufgabe: Wann immer zwei Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Konzentration durch eine poröse Schicht getrennt sind, gleicht sich der Salzgehalt auf beiden Seiten aus. Sind die Löcher der Membran aber so klein, dass keine Salze passieren können, will das Frischwasser das Meerwasser auf der anderen Seite verdünnen – Chemiker sprechen von Osmose. Der Prozess lässt sich umkehren, indem das salzhaltige Wasser stark unter Druck gesetzt wird. Die Wassermoleküle werden durch die Membran gepresst. Auf der einen Seite sammelt sich reines Wasser, auf der anderen verbleibt immer stärker konzentrierte Salzlauge.

Es ist allerdings ein hoher Druck (etwa 60 Bar) nötig, um die Wassermoleküle durch die Membran zu quetschen. Zu hoch darf er nicht sein, weil die Salze sonst die Poren verstopfen. Zudem muss ständig neues Meerwasser zufließen und die Brühe verdünnen, da eine zu hohe Salzkonzentration den Prozess stoppen würde. Der Aufwand bleibt nicht ohne Folgen: Ein Kubikmeter Wasser aus den glänzenden Röhren von Carlsbad wird etwa 1,50 Euro kosten – deutlich mehr als San Diego bislang für das Wasser aus Nordkalifornien bezahlt hat.

Yoram Cohen sucht daher nach einer Alternative. Der Leiter des Water Technology Research Centers der Universität von Kalifornien in Los Angeles fährt alle zwei Wochen ins San Joaquin Valley. Die Kornkammer Kaliforniens hat drei verheerende Dürrejahre hinter sich. Am Wegrand liegen aufgegebene Felder, Plakate mahnen "Wasser = Arbeitsplätze". Cohens Ziel ist ein Anhänger inmitten von Pistazienbäumen. Zwei Studenten überwachen hier ein vollautomatisches System aus Tanks, Rohren und Ventilen. Es verarbeitet aber kein Meerwasser, sondern verschmutzte Brühe, die nach der Bewässerung der Felder übrig bleibt. Auch sie ist stark salzhaltig und mit Nährstoffen versetzt. Am Ende soll reines Wasser entstehen. In der Testanlage sind es derzeit mehr als 110.000 Liter pro Tag. Über einen Schwarz-Weiß-Monitor in der Kontrollstation flimmert ein Bild der Polyamid-Membran der Entsalzungsanlage. Sie sieht aus wie eine Mondlandschaft.

Entsalzungsanlage, die ohne Mannschaft auskommen könnte

Einige weiße Brocken sind darauf zu erkennen, Anzeichen für Mineralablagerungen und der Albtraum für jeden Osmoseprozess. Algorithmen zur Bildanalyse erkennen jedoch die Gefahr und injizieren Lösungsmittel. Andere Sensoren erkennen Bakterienbewuchs, verändern den Druck oder geben chemische Zusätze frei. "Wenn wir Autos bauen können, die keinen Fahrer mehr brauchen, warum dann keine Entsalzungsanlage, die ohne Mannschaft auskommt?", fragt Cohen. Der Ingenieur schätzt, dass seine automatische und mobile Anlage die Betriebskosten auf die Hälfte oder ein Drittel senken könnte. Eine Schicht mit tentakelartigen Aufsätzen aus Polymeren, die auf die Membran gelegt werden kann und wasseranziehend wirkt, soll zudem Ablagerungen vermeiden und den Prozess beschleunigen.