1. Preis Natur- und Technikwissenschaften 2023

Mit winzigen Schwämmen gegen die Wasserknappheit

Text: Dorthe March
Fotos: Patrick Pollmeier

Bis zu drei Milliarden Menschen leiden mindestens einen Monat im Jahr unter Wasserknappheit. Der Mangel betrifft insbesondere die ariden und semiariden Regionen unseres Planeten – unter anderem die Atacama-Wüste in Chile und die Sahara in Nordafrika. Und durch die wachsende Weltbevölkerung, die Erderwärmung und die anhaltende Verschmutzung des Grundwassers wird sich das Problem in den kommenden Jahren sogar noch verschärfen. Das betrifft nicht nur den allgemeinen Lebens- und Gesundheitsstandard in den besonders trockenen Teilen der Erde. „Zusätzlich kann Wasserknappheit zu politischen und militärischen Konflikten führen, was Wasser nicht nur zur Lebensnotwendigkeit, sondern auch zur strategischen Ressource für nationale Sicherheit macht“, sagt Nikita Hanikel.

Grundlagen für eine technische Lösung des Problems erforscht der Chemiker an der University of California, Berkeley (USA). Verbessertes Wassermanagement könne zwar helfen, erklärt er – „jedoch ist es auch notwendig, innovative Methoden zur Wasseraufbereitung und -gewinnung zu entwickeln, um die Wasserkrise effektiv zu bewältigen.“

Nanometergroße Poren schlucken Luftfeuchtigkeit

Vereinfacht gesagt ernten Hanikel und seine Forschungsgruppe Wasser, indem Feuchtigkeit aus trockener Umgebungsluft aufgenommen und dann nach mildem Aufwärmen – zum Beispiel durch Sonneneinstrahlung – als konzentrierter Wasserdampf abgegeben wird. Im Anschluss daran kondensiert dieser Wasserdampf relativ leicht und kann für den menschlichen Gebrauch verwendet werden.

„Die Idee ist nicht neu, aber die Effizienz bisher nicht optimal“, erläutert der 31-Jährige. Deshalb hat er sich im Rahmen seiner Promotion vor allem damit beschäftigt, ein Sorptionsmittel – ein Material, das Feuchtigkeit aufsaugt – zu finden, das die Limitierungen des Vorgangs erheblich reduziert. Darüber hinaus hat der Chemiker angestrebt, den Energieverbrauch im Vorgang zu verringern.

Hanikels Lösung: metallorganische und kovalent organische Gerüstverbindungen, kurz MOFs und COFs – hochporöse, kristalline molekulare Sorptionsmittel, die in der Lage sind, beachtliche Mengen an verschiedenen Gasen und Dämpfen – zum Beispiel Wasser – in ihre nanometergroßen Poren aufzunehmen und zu speichern. Sie funktionieren wie winzige Schwämme. Hanikel hat sie systematisch entwickelt, charakterisiert und getestet.

„Enorme strukturelle und funktionale Design-Vielfalt“

„MOFs werden durch das Verlinken von Metallclustern und organischen sogenannten Linker-Molekülen hergestellt, während für die COF-Synthese ausschließlich organische Moleküle verwendet werden“, erläutert Hanikel. „Hierbei ist besonders hervorzuheben, dass eine schier unbegrenzte Auswahl an organischen und anorganischen Molekülen als Bausteine für diese Materialien eingesetzt werden kann. Daraus ergibt sich eine enorme strukturelle und funktionale Design-Vielfalt.“ Aus diesem Grund hätten sich diese Gerüstverbindungen für die Wassergewinnung aus der Luft so optimieren lassen, dass sie effektiver sind und eine bessere Energiebilanz aufweisen – und damit die gesammelte Wassermenge unter minimalem Energieverbrauch maximiert werden konnte.

Im Forschungs- und Versuchsprozess stellten Hanikel seine eigenen Zwischenergebnisse in puncto Modulation der Wasseraufnahme-Eigenschaften relativ schnell zufrieden; ausschlaggebend für die Wasserausbeute eines wassergenerierenden Systems ist seiner Ansicht nach aber das Aufnahmevermögen des Sorptionsmittels. Dafür optimierte der Chemiker die Linker-Struktur der erfolgreichsten Gerüstverbindung, „was das Porenvolumen und somit auch die Wasseraufnahmekapazität um ungefähr 50 Prozent erhöhte – ohne dabei die primären Wasserinteraktionen der Gerüstverbindung, deren vorteilhafte Wasseraufnahmefähigkeiten und hydrolytische Stabilität zu kompromittieren.“

Von einem Liter zur mehr als hundertfachen Menge pro Tag

„MOF-303“ konnte Hanikel im Lauf der Arbeit zum idealen Sorptionsmitel erklären – unter anderem, da es für die Wasseraufnahme und -abgabe bei niedrigen Luftfeuchtigkeitswerten und milden Regenerationstemperaturen nur wenige Minuten benötigt. Motiviert durch diese und weitere positive Resultate haben er und seine Forschungsgruppe einen Prototyp für Wassergewinnung aus der Luft konstruiert. „Dieses System weist eine signifikant höhere tägliche Wasserausbeute auf als zuvor publizierte Apparate“, fasst Hanikel zusammen. Tests in der südkalifornischen Mojave-Wüste bei extremen Bedingungen von bis zu 10 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit waren erfolgreich: Der Prototyp generierte bis zu einen Liter Wasser pro Tag.

„Wenige Monate nach der Veröffentlichung unserer Resultate hat das US-Verteidigungsministerium ein Forschungsprogramm zur Entwicklung effizienter und produktiver Wasser generierender Systeme ausgeschrieben“, berichtet Hanikel. In Zusammenarbeit mit General Electric und anderen akademischen Gruppen hat er stellvertretend für seine Forschungsgruppe erfolgreich an der Bewerbung für die entsprechenden Forschungsgelder mitgewirkt. „Diese Zusammenarbeit ist derzeit in vollem Gang.“ Das Ziel: die Konstruktion eines Systems zur Gewinnung von Hunderten Litern Wasser pro Tag. „Des Weiteren hat mein Doktorvater bereits zwei Unternehmen mit dem Ziel der Wassergewinnung aus der Luft gegründet, sodass ich zuversichtlich bin, dass diese Technologie bald schon kommerziell erhältlich sein wird.“ Hanikel ist überzeugt: „Die Wassergewinnung aus der Luft kann einen entscheidenden Teil dazu beitragen, die Wasserkrise in Zeiten des Klimawandels und wachsender Weltbevölkerung zu lösen.“

Nach seinem Bachelor und Master of Science in Chemie an der Technischen Universität Braunschweig promovierte Nikita Hanikel (31) an der University of California, Berkeley (USA). Heute ist er Postdoktorand am Institute for Protein Design an der University of Washington, Seattle (USA).

Beitragstitel: Wasserernte aus der Luft mit molekularen Schwämmen

Nikita Hanikel

nikita.hanikel@berkeley.edu

Promotion an der University of California, Berkeley (USA), Fachbereich Chemie