Mangel an Wasser ist für viele Menschen ein Problem. Aber das Beheben dieses Mangels, etwa die Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser, ist häufig ein Problem für die Natur. Mehr als 1,4 Milliarden Menschen leben in Regionen, in denen das Wasser das ganze Jahr über knapp ist, dokumentierte das UN-Kinderhilfswerk Unicef kürzlich in einem Bericht. Liegen diese Regionen am Meer, etwa in Nordafrika und im Mittleren Osten, dann produzieren sie mithilfe von Salzwasseranlagen Trinkwasser. Doch diese Anlagen sind energieintensiv - und sie hinterlassen laut einem Beitrag im Fachmagazin Science of the Total Environment mehr als 140 Millionen Tonnen Salzlauge, die ins Meer oder in Flüsse geleitet werden. Die Konsequenz: Die Salze führen möglicherweise giftige Substanzen mit und entziehen den Gewässern Sauerstoff.
Könnte die Alternative womöglich Wasser aus der Luft statt Wasser aus dem Meer sein? Diese Idee verfolgen Forschende der ETH Zürich bereits seit geraumer Zeit. Nun haben sie eine Pilotanlage entwickelt, die zeigt: Wasser lässt sich sauber und ohne Betriebsenergie aus der Atmosphäre gewinnen. Es könnte in feuchten ebenso wie in trockenen Regionen etwa dreimal den jährlichen globalen Wasserkonsum zusätzlich bereitstellen, heißt es im Fachmagazin Science Advances, in dem die ETH-Forscher das Verfahren präsentieren.
Das ist das Potenzial. Doch die Gewinnung des Atmosphärenwassers ist ebenso wie die Meerwasserentsalzung aus energetischen Gründen herausfordernd. Wie es trotzdem möglich ist, allein mit natürlicher Energie Wasser aus der Luft zu sammeln, wird derzeit auf dem Dach des ETH-Gebäudes demonstriert.
Der "Wassersammler" mutet futuristisch an, auf einer silbern glänzenden Kammer steht ein ebenso schimmernder, kegelförmiger Trichter. An der Schnittstelle dieser beiden Objekte - von außen nicht sichtbar - befindet sich das Herzstück der Anlage. Es ist eine mehrfach beschichtete Glasscheibe mit einem Durchmesser von weniger als zehn Zentimetern, an der feuchte Luft kondensiert.
Die entstehende Wärme stört. Sie wird über einen Kegel in den Himmel geschickt
Gefüllt ist die Kammer mit Umgebungsluft, deren relative Luftfeuchtigkeit in den ETH-Versuchen zwischen 65 und 95 Prozent beträgt. "Je höher die Luftfeuchtigkeit ist, desto effizienter ist der Kondensationsprozess an der beschichteten Glasplatte", sagt Iwan Hächler, Hauptautor der Studie und Doktorand in der Gruppe der Thermodynamik-Professors Dimos Poulikakos an der ETH. Die Kammer ist mit aluminisierter Kunststofffolie beschichtet, um die Sonnenstrahlen zu reflektieren. Damit bleibt die Temperatur der Kammerluft und der Umgebungsluft immer etwa gleich.
Ziel ist es, die beschichtete Glasscheibe möglichst stark abzukühlen. Der Effekt ist dann derselbe, wie man ihn im Winter im Auto erlebt, wenn die warme Innenluft an der kalten Windschutzscheibe zu einem Wasserfilm kondensiert. Nur: Dort, wo das System der ETH-Forscher zum Einsatz kommen soll, ist es nicht kalt, sondern heiß. Die Kühlung wird deshalb zur großen Herausforderung. Die verschiedenen Schichten der Glasscheibe haben unterschiedliche Abstrahlungseigenschaften: Die oberste Kunststoffschicht, ein spezielles Polymer, und die Glasscheibe emittieren langwellige Wärmestrahlen in einem speziellen Wellenbereich ins Weltall, und die Silberschicht reflektiert das sichtbare Sonnenlicht. "Man kann anstelle einer Silberbeschichtung das Glas auch weiß anstreichen", sagt Iwan Hächler.
Wenn die feuchte Luft an der Scheibe kondensiert, wird ebenfalls Wärme frei, die abgeführt werden muss. Dafür haben die Forscher den mit Aluminium beschichteten Kegel entwickelt. Experimente zum Wärmefluss haben gezeigt, dass diese Form geeignet ist, um die Wärme vertikal gegen den Himmelszenit wegzuführen. Auf diesem Weg gelangt die Wärmestrahlung am effektivsten durch die Atmosphäre ins Weltall. Zudem schützt der Kegel vor atmosphärischer Wärmestrahlung und Sonnenlicht, besonders auch bei tiefem Sonnenstand. Das System kann auf diese Weise die Kondensationsscheibe um bis zu 15 Grad unter die Umgebungstemperatur kühlen.
Kondensationsverfahren, um Wasser zu sammeln, gibt es seit Langem. Zum Beispiel wird Wasserdampf in Trocknungsmitteln wie Silikatgel, Zeolith oder Salzen in offenen Kammern gesammelt. Sind die Substanzen gesättigt, wird die Kammer geschlossen, und das absorbierte Wasser wird durch die Umgebungswärme verdampft; es kondensiert dann an den kühleren Kammerwänden. Diese Methode funktioniert jedoch nur am Tag bei Sonneneinstrahlung.
Dann gibt es Systeme mit Kühlungsfolien ähnlich wie bei der ETH-Methode, an denen die Luftfeuchtigkeit taut. Dieses Verfahren ist optimiert, um nachts Wasser zu sammeln, weil am Tag die Folie im Gegensatz zur ETH-Version aufgeheizt wird. In Peru nutzen die Menschen überdies eine alte, einfache Methode: In höheren Regionen des Landes entsteht am Morgen und nachts Nebel, den man mit großen Netzen einzufangen versucht. Das Wasser tropft dann von den feuchten Netzen in offene Halbrohre und später in Behälter. Von Dezember bis März gibt es dort allerdings praktisch keinen Nebel.
Die Anlage ist billig und lowtech, allerdings braucht sie eine Menge Platz
Die ETH-Anlage funktioniert über das ganze Jahr - allerdings nur bei einer Luftfeuchtigkeit von mehr als 65 Prozent, die Physik setzt hier eine Grenze. Bis an dieses physikalische Limit gelangt die Anlage allerdings ohne Energiezufuhr. Die Entwicklung hat zudem eine weitere Besonderheit: Der Wasserdampf kondensiert auf einer extrem Wasser abstoßenden Schicht auf der Glasscheibe, sodass die Tropfen von selbst von der Oberfläche abperlen und in einem Gefäß aufgefangen werden können. Bei den bisherigen Systemen müsse man das Kondensat dagegen regelmäßig von der Oberfläche der Kondensatorscheibe abstreifen, so Hächler.
Die ETH-Anlage besticht durch ihre Einfachheit. Sie ist eine Lowtech-Methode, wie sie in ärmeren, unter Wassernot leidenden Staaten gefragt ist. Doch das Verfahren hat auch eine Schwäche; es ist die Ausbeute. Unter realen Bedingungen produziert die Pilotanlage gerade mal 4,6 Milliliter Wasser pro Tag. Würde man eine Anlage auf einer Fläche von 100 mal 100 Metern mit Elementen dieses Prototyps bauen, so rechnet Hächler mit 52 441 einzelnen "Wassersammlern", die zwischen 300 und gut 500 Litern Trinkwasser pro Tag produzierten. Das Verfahren braucht also viel Platz.
Dafür sind die Kosten niedrig. Die Herstellung der beschichteten Kondensationsscheiben sei einfach und kostengünstig, sagt Hächler. Als Nächstes will das ETH-Team das Verfahren auch für größere Anlagen prüfen. Zunächst sei es in erster Linie darum gegangen zu zeigen, "dass das Verfahren ohne Energiezufuhr funktioniert", sagt Iwan Hächler. Er sieht es ohnehin nicht als Option, künftig den Wasserbedarf eines ganzen Landes zu decken. Aber er kann sich vorstellen, das System dort aufzubauen, wo energieintensive Methoden wie Entsalzungsanlagen oder der Bau von Brunnen nicht infrage kommen. Oder dezentral und ohne Energieaufwand in Dörfern, wo trinkbares Wasser wegen des Klimawandels und der Energieknappheit in Zukunft noch rarer wird.
