Wasser aus der Luft

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Die Versorgung der Weltbevölkerung mit sauberem Trinkwasser ist eine der großen technischen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. In manchen Ländern hat weniger als die Hälfte der Bevölkerung Zugang zu sauberem Wasser, und weltweit muss jeder Dritte ohne grundlegende sanitäre Anlagen auskommen, die es ohne Wasser nicht gibt.

Die Folge sind häufige Fälle von Diarrhöe und allgemein schlechter Gesundheit. Nach manchen Schätzungen sterben jeden Tag 5000 Kinder an den Auswirkungen von Durchfallerkrankungen. Also sind Möglichkeiten zur Produktion von sauberem Wasser ein wichtiges Ziel.

Das Problem dabei ist, dass die meisten Technologien für arme Länder zu teuer sind. Bisherige Ansätze wie Destillierung, reverse Osmose oder Abwasser-Recycling sind energiehungrig und kostspielig. Passive Varianten wiederum funktionieren mit Solarenergie, erfordern aber exotische Materialien und Solar-Konzentratoren, die sperrig und teuer sind.

Kondensator als schwarzer Block

Eine Technik aber hat das Potenzial, diese deprimierende Rechnung zu verändern: Tau-Ernte. Dabei wird Luft so gekühlt, dass der enthaltene Wasserdampf kondensiert und dann gesammelt werden kann. „Diese passive Technologie hat großes Potenzial für die Ernte von Frischwasser, weil die Atmosphäre eine erhebliche Menge an Wasserdampf enthält“, schreiben Minghao Dong und Kollegen von der Southeast University in China.

In einem Fachaufsatz hat sich das Team erstmals mit den grundlegenden Grenzen der Tau-Technologie beschäftigt. Außerdem erklären die Forscher, wie eine einfache Veränderung bei konventionellen Verfahren diese deutlich nützlicher und ertragreicher machen könnte.

Physiker haben bereits berechnet, wie viel Wasser eine Ernte-Apparatur produzieren kann, wenn der Kondensator ein schwarzer Block mit perfekten Strahlungseigenschaften ist. Doch laut Minghao und Kollegen wurde dabei stets ein offensichtlicher Punkt übersehen: Die Studien berücksichtigen nicht die Art und Weise, wie echte Materialien Wärme abgeben, und dass die Erdatmosphäre bestimmte Licht-Wellenlängen effizienter überträgt als andere.

Passende Wellenlängen

„Als Folge davon wurden die grundlegenden Grenzen dieses Verfahrens nie richtig geklärt, was es schwierig macht, die Performance der Experimente zu bewerten und festzustellen, ob sich diese Technologie unter verschiedenen Bedingungen anwenden lässt oder nicht, insbesondere in relativ ariden Gebieten“, heißt es in dem Aufsatz. In ihrer Studie haben die Forscher diese Faktoren erstmals berücksichtigt. Auf diese Weise konnten sie einschätzen, wie gut sich unterschiedliche Materialien dafür eignen.

Ihre Methode war relativ einfach. Wie Minghao und Kollegen erklären, ist bereits bekannt, für welche Wellenlängen die Erdatmosphäre am transparentesten ist. Nach ihren Worten hat es also Sinn, einen Kondensator zu verwenden, der auf diesen Frequenzen strahlt, statt einem mit dem gesamten Spektrum. Sie bezeichnen ihn als einen selektiven Strahler und vergleichen seine Leistung mit einem schwarzen Körper.

Die Ergebnisse sind bemerkenswert. Laut den Forschern sind erhebliche Verbesserungen möglich, wenn man die Strahlung des Kondensators auf die Übertragungseigenschaften der Atmosphäre abstimmt. Bei einer Umgebungstemperatur von 20 Grad Celsius und 40 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit zum Beispiel kann ein schwarzer Strahler unmöglich Wasser ernten. „Der selektive Strahler dagegen könnte pro Quadratmeter und Stunde 13 Gramm Tau ernten“, so Minghao und Kollegen.

Potenzial für breite Anwendung

Dieser Unterschied ist von erheblicher Bedeutung. Es geht dabei darum, ob man an einem Ort wie der Mojave-Wüste nachts Wasser gewinnen kann oder ganz ohne auskommen muss.

Die Forscher haben einen Kondensator entwickelt, der die erforderlichen Strahlungseigenschaften aufweist. Er besteht aus einer dünnen Schicht aus drei unterschiedlichen Materialien auf einer Aluminium-Basis. Diese Schichtstruktur strahlt am besten auf den Wellenlängen, bei denen die Erdatmosphäre am transparentesten ist.

Diese Arbeit hat Potenzial für eine breite Anwendung. Laut Minghaos Team könnte Tau-Ernte in humiden wie ariden Gebieten funktionieren. „Zu ersteren zählen Inseln und Küstenstädte, die von nicht trinkbarem Meerwasser umgeben sind, zu letzteren Wüsten ohne jede Form von Trinkwasser“, erklären die Forscher.

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