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Fischkiemen-Prinzip schützt Solarverdampfer vor Salzkrusten
Salz ist der Bremsklotz vieler solarer Verdampfer: Beim Verdunsten bleibt es an der Oberfläche zurück und kann die Wasserproduktion blockieren. Ein von Fischkiemen inspiriertes Biomasse-Aerogel kombiniert nun elektrische Ionenabstoßung mit einem dünnen Wasserfilm. Im Labor verdampfte es unter standardisierter Bestrahlung 2,88 Kilogramm Wasser pro Quadratmeter und Stunde und blieb selbst in 20-prozentiger Sole 24 Stunden ohne sichtbare Salzablagerung.
Ueda (Japan). Bei der solaren Grenzflächenverdampfung erwärmt Sonnenlicht ein poröses Material direkt an der Wasseroberfläche. Dadurch muss nicht das gesamte Wasservolumen aufgeheizt werden. Gerade bei Meerwasser und konzentrierten Salzlösungen entsteht aber ein hartnäckiges Problem: Wasser verschwindet als Dampf, während die gelösten Salze zurückbleiben und sich an der Verdampfungsfläche anreichern.
Bildet sich dort eine Salzkruste, kann sie Licht abschirmen, Poren verstopfen und den Nachschub an Wasser behindern. Viele Ansätze versuchen deshalb, das Salz durch breite Wasserkanäle, gezielte Kristallisation oder besonders wasserliebende Oberflächen von der heißen Zone fernzuhalten. Bei sehr hoher Salzkonzentration stoßen solche Strategien jedoch schnell an Grenzen.
Forscher der Nantong University (NTU) um Haifeng Zhang haben nun zwei Schutzmechanismen in einem vollständig biomassebasierten Aerogel kombiniert. Das Material besteht vor allem aus Carboxymethyl-Chitosan und Natriumalginat. Bambusbasierter Kohlenstoff nimmt das Sonnenlicht auf und wandelt es in Wärme um. Die Polymere bilden zugleich ein leichtes, poröses Netzwerk, das Wasser zur Verdampfungsfläche transportiert.
Entscheidend sind geladene und wasserliebende Gruppen in diesem Netzwerk. Negativ geladene Gruppen stoßen bestimmte Ionen nach einem Donnan-Mechanismus von der Grenzfläche ab. Gleichzeitig hält die hydrophile Oberfläche einen dünnen Wasserfilm aufrecht. Beim Erwärmen entstehen darin Strömungen, die Salz von der Verdampfungszone wegtransportieren. Nach den Experimenten verstärken sich beide Effekte gegenseitig. Wurde nur einer der Mechanismen genutzt, nahm die Salzbeständigkeit bei hoher Konzentration deutlich ab.
Für unterschiedliche Salzgehalte testete das Team zwei Betriebsweisen desselben Aerogels. In simulierter Meerwasserlösung mit 3,5 Gewichtsprozent Salz erreichte die schnellere Variante unter standardisierter Beleuchtung entsprechend voller Sonne eine Verdampfungsrate von 2,88 Kilogramm pro Quadratmeter und Stunde. In natürlichem Meerwasser lag sie bei 2,85 Kilogramm pro Quadratmeter und Stunde während eines achtstündigen Versuchs.
Bei 20 Gewichtsprozent Natriumchlorid, also einer deutlich konzentrierteren Sole, setzte das Team auf die Betriebsweise mit zusätzlichem Wasserfilm. Das Material lief 24 Stunden ohne sichtbare Salzkristallisation und ohne erkennbaren Leistungsabfall. In einem Sieben-Tage-Test mit täglich zehn Stunden Beleuchtung und 14 Stunden Dunkelheit blieb die Verdampfungsrate ebenfalls stabil. Im Mittel verdampften dabei 32,63 Kilogramm Wasser pro Quadratmeter und Tag.
Auch die Wasserqualität wurde untersucht. Beim Verdampfen von natürlichem Meerwasser sank der gesamte Salzgehalt im aufgefangenen Kondensat laut Studie um rund drei Größenordnungen. Die Konzentrationen der wichtigsten gemessenen Ionen lagen unter den von den Autoren herangezogenen Grenzwerten für Trinkwasser. Die Messwerte beschreiben jedoch die Verdampfung und das erzeugte Kondensat im Versuchsaufbau, nicht den Nettoertrag einer vollständigen Entsalzungsanlage mit technischer Kondensation und Wasseraufbereitung.
Wie sich das Aerogel außerhalb konstanter Laborbedingungen verhält, prüften die Forscher auf dem Ueda-Campus der Shinshu University. An einem klaren Herbsttag erreichte die Sonneneinstrahlung höchstens 76 Prozent dieser Referenzleistung. Mittags verdampfte das Material dennoch 2,16 Kilogramm Wasser pro Quadratmeter und Stunde. In zusätzlichen viertägigen Freilufttests folgte die Leistung den natürlichen Sc