Sauberes Wasser für die Dritte Welt

US-Forscher behandeln Baumwolle mit Nanofarbstoffen, um einen Filter herzustellen, der aus verschmutztem Nass kostengünstig und mit geringem Energiebedarf Trinkwasser macht.

Wissenschaftler an der Stanford University haben einen neuartigen Filter entwickelt, der Bakterien besonders schnell und stromsparend aus verschmutztem Wasser entfernen kann. Ziel ist die Entwicklung eines einfachen und kostengünstigen Trinkwasserreinigungsgeräts für die Dritte Welt. Die verwendete Methode basiert auf einem Baumwollgewebe, das mit Nanofarbstoffen behandelt wurde. Es tötet Bakterien mit Hilfe eines elektrischen Feldes, verbraucht dabei aber nur 20 Prozent der bei traditionellen Filtern notwendigen Energiemenge.

Fast eine Milliarde Menschen weltweit haben nur Zugang zu verschmutztem Trinkwasser, das schädliche chemische Stoffe oder Krankheitserreger enthalten kann. "Es gibt deshalb einen riesigen Bedarf nach einem robusten, kostengünstigen Filtermaterial, das im Betrieb nur wenig Energie benötigt", sagt Mark Shannon, der die Forschungsstelle für Wasserfiltersysteme an der University of Illinois at Urbana-Champaign leitet und die Stanford-Studie kennt. In den Regionen, in denen man diese Technik benötige, sei entweder gar kein Strom vorhanden oder nur für wenige Stunden am Tag verfügbar.

Das neue Filtersystem soll direkt vor Ort eingesetzt werden und nicht an zentralen Wasserbehandlungsstellen, von denen es in der Dritten Welt sowieso zu wenige gibt. Bislang werden vor allem zwei chemische Methoden zur Reinigung eingesetzt: eine Chlor-Zugabe zum Abtöten von Bakterien und die Beimischung von Eisen, was dazu führt, dass Bakterien verklumpen und sich leichter entfernen lassen. Das Problem: Beide Ansätze können nur von ausgebildetem Personal gefahrlos durchgeführt werden und benötigen stets Nachschub an Chemikalien.

Eine Filterung ist deshalb so attraktiv, weil sie relativ einfach ist. Dabei wird zumeist die Größe der Mikroorganismen als Ansatzpunkt genutzt: Das Wasser gelangt durch den Filter, die Bakterien nicht. Solche Systeme verstopfen jedoch mit der Zeit und arbeiten sehr langsam, wenn man nicht energieintensive Pumpen verwendet, die das Wasser durch sie hindurchdrücken. Der Stanford-Filter nutzt die Schwerkraft und hat Poren, die groß genug für eine hohe Durchflussrate sind – rund 100.000 Liter pro Stunde. Elektrische Impulse setzen die Bakterien dabei außer Gefecht, indem sie deren Zellwände zersetzen.

Das von den Materialwissenschaftlern Yi Cui und Sarah Heilshorn entwickelte Verfahren nutzt Stücke aus Baumwollwatte, die in einen wasserbasierten Farbstoff aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen getaucht werden. Nach einer ersten Trocknung werden sie in einen zweiten Farbstoff getaucht – diesmal alkoholbasiert und aus Silber-Nanoröhrchen. Anschließend folgt eine zweite Trocknung. Cui und Kollegen nutzen seit längerem ähnliche Methoden, um papierbasierte Batterie-Elektroden aus Nanoröhrchen sowie Nano-basierte Textilien zu schaffen. Die langen, schmalen Nanoröhrchen und Nanodrähte "umgarnen" das Gewebe dabei.

Die Stanford-Forscher testeten ihre Filter bislang unter Laborbedingungen. Dabei werden sie in eine Glasröhre gesteckt, die über einem Becherglas montiert ist. An den Filter wird eine Spannung angelegt, während das Wasser durch die Glasröhre gegossen wird. Cul zufolge reichen dazu eine Autobatterie oder gar Solarpanels aus.

Die Stanford-Gruppe prüfte den Filter mit hohen E. coli-Konzentrationen. Bei den vorläufigen Tests ergab sich eine Inaktivierungsrate von 98 Prozent. Allerdings kann jedes einzelne Bakterium einen Menschen krank machen, weswegen das Stanford-Team den Filter für Endanwendungen noch weiter verbessern will.

Noch kann das Team nicht sagen, wie der Filter tatsächlich funktioniert – klar ist allerdings, dass beide Materialien zusammen einen besseren Effekt erzielen als jedes für sich genommen. Die antimikrobiellen Eigenschaften von Silber sind seit langem bekannt, während Kohlenstoff-Nanoröhrchen sehr leitfähig sind. Eine mögliche Erklärung liegt in der Tatsache, dass sich sehr starke elektrische Felder an der Spitze der Silber-Nanodrähte bilden, die dann wiederum die Zellwände durchstoßen. Wird die Elektrizität abgeschaltet, sorgt das Silber dafür, dass die Bakterien nicht an der Oberfläche faulen – ein Standardproblem bei regulären Filtern.

Allerdings gibt es bislang keine definitiven Studien zu der Frage, welche Auswirkungen Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Silber-Nanodrähte in Wasser haben können, wenn dieses von Menschen oder auch nur niederen Organismen konsumiert wird. Experimente mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen in der Luft zeigten allerdings, dass ihr Effekt auf Mäuselungen ungefähr dem von schädlichem Asbest entspricht. Cuis Team testet deshalb einige Tausend Liter Wasser auf eine potenzielle Kontaminierung. Dabei ergab sich, dass das Nanomaterial offenbar nicht gelöst wird. Weitere Überprüfungen sollen nun folgen, ob es wirklich auf Dauer im Filter verbleibt oder doch später ins Wasser gelangt.

Kara Nelson, Professorin für Bau- und Umweltingenieurwesen an der University of California, Berkeley, sieht in der Stanford-Entwicklung einen potenziellen technischen Durchbruch, "der die Optionen für eine kostengünstige Wasserbehandlung dramatisch verbessert". Nun sei es wichtig, ein Proof-of-Concept-Gerät zu entwickeln. So stehe der Beweis, dass der Filter mit anderen Bakterien und Krankheitserregern funktioniere, noch aus.

Chad Vecitis, Professor für Umweltingenieurwesen an der Harvard University, ist vor allem von der Geschwindigkeit des Filters beeindruckt. Es liefen mittlerweile viele Forschungsprojekte zum Thema Wasserreinigung, doch Lösungen mit wenig Energiebedarf seien entweder zu langsam oder zu kompliziert. Lichtaktivierte Katalysatoren seien ein Beispiel dafür. "Das dauert mehrere Stunden und es ist für den Nutzer nicht leicht zu erkennen, ob die Sterilisierung gelungen ist." (bsc)