Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben ein superabsorbierendes Hydrogelmaterial entwickelt, das Feuchtigkeit absorbieren und der Luft Wasser entziehen kann. Dieses bahnbrechende Material könnte bahnbrechend sein, insbesondere in Wüsten- und dürregefährdeten Regionen.
Durch die Aufnahme von Wasserdampf ist das Material quellfähig und kann so auch im trockenen Zustand von 30 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit kontinuierlich Feuchtigkeit aufnehmen.
Bemerkenswerterweise geschieht dies ohne jegliche Leckage. Nachdem das Wasser absorbiert wurde, kann es erhitzt, kondensiert und als hochreines Wasser gesammelt werden.
Supergeladenes Hydrogel ist das Geheimrezept
Was ist das Geheimnis hinter der außergewöhnlichen Saugfähigkeit dieses neuen Materials? Das Material ist ein Hydrogel, eine natürlich absorbierende Substanz, die in Produkten wie Wegwerfwindeln verwendet wird.
Das Ingenieurteam verstärkte die feuchtigkeitsabsorbierenden Eigenschaften des Hydrogels, indem es ihm Lithiumchlorid zusetzte, ein Salz, das für seine austrocknende Wirkung bekannt ist.
In früheren Studien gab es eine Grenze dafür, wie viel Salz in das Hydrogel infundiert werden konnte. Dieses MIT-Team konnte diese Grenze jedoch überschreiten und selbst in extrem trockenen Umgebungen ein beispielloses Maß an Feuchtigkeitsaufnahme erreichen.
Carlos Díaz-Marin ist ein Doktorand des Maschinenbaus am MIT und Mitglied des Device Research Lab. Er sagte: „Wir waren anwendungsunabhängig in dem Sinne, dass wir uns hauptsächlich auf die grundlegenden Eigenschaften des Materials konzentrieren.“ Aber jetzt untersuchen wir ganz unterschiedliche Probleme, etwa wie man Klimaanlagen effizienter macht und wie man Wasser gewinnen kann. Dieses Material hat aufgrund seiner geringen Kosten und hohen Leistung so viel Potenzial.“
Hydrogel kann schnell und in großen Mengen hergestellt werden
Wenn es schnell und in großem Maßstab hergestellt werden kann, könnte dieses superabsorbierende Hydrogel als passiver Wassersammler eingesetzt werden. Darüber hinaus könnte es auch in Klimaanlagen integriert werden, um durch Entfeuchtung der Luft Energie zu sparen.
Das MIT-Team wollte die Fähigkeit von Hydrogelen zur Feuchtigkeitsaufnahme, insbesondere aus der Luft, verbessern. Sie fanden heraus, dass Salze wie Lithiumchlorid Feuchtigkeit effizient absorbieren und beschlossen, beide zu kombinieren.
Gustav Graeber, Mitglied des MIT-Teams und jetzt leitender Forscher an der Humboldt-Universität zu Berlin, sagte: „Das Hydrogel kann viel Wasser speichern und das Salz kann viel Dampf einfangen.“ Daher liegt es auf der Hand, dass man beides kombinieren möchte.“
Wie das Hydrogel entstand
Bei einem neuen Ansatz verbrachte das MIT-Team Tage und sogar Wochen damit, das Lithiumchlorid in das Hydrogel eindringen zu lassen, anstatt wie in früheren Experimenten üblich 24 bis 48 Stunden.
Die Ergebnisse waren erstaunlich. Nach 30 Tagen hatten die Hydrogele bis zu 24 Gramm Salz pro Gramm Polymer aufgenommen, was einer Vervierfachung des bisherigen Rekords entspricht.
Diese rekordverdächtige Absorptionsfähigkeit bleibt über eine Reihe von Feuchtigkeitsniveaus bestehen. Unter trockenen Bedingungen mit 30 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit nahm das Hydrogel erstaunliche 1,79 Gramm Wasser pro Gramm Material auf.
Díaz-Marin kommentierte weiter: „Jede Wüste hätte nachts eine so niedrige relative Luftfeuchtigkeit, dass dieses Material möglicherweise Wasser in der Wüste erzeugen könnte.“ Der Schwerpunkt liege nun auf der Verbesserung der Wasseraufnahme, um schnellere Zyklen und eine häufigere Wassergewinnung zu ermöglichen.
Die Studie des Teams wurde in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht und die Forschung wurde teilweise vom US-amerikanischen Amt für Energieeffizienz und erneuerbare Energien und dem Schweizerischen Nationalfonds unterstützt.
Die von diesen Forschern vorgestellte Innovation bietet einen Ausblick auf eine Zukunft, in der selbst die trockensten Regionen Zugang zu einer konsistenten Wasserquelle haben könnten.
Das in Windeln verwendete Material war der Auslöser für die Herstellung des Hydrogels
Dieses erstaunlich absorbierende Hydrogel ist ein Produkt des Device Research Lab des MIT, das sich der Entwicklung innovativer Materialien zur Lösung globaler Energie- und Wasserprobleme widmet.
Das Team beschloss, sich auf die Verbesserung der Fähigkeiten von Hydrogelen zu konzentrieren, einem Material, das seit Jahren zur Feuchtigkeitsaufnahme verwendet wird, insbesondere in Produkten wie Windeln.
Das Team überlegte: „Unsere Frage war: Wie können wir dafür sorgen, dass dies genauso gut funktioniert, um Dampf aus der Luft zu absorbieren?“ Díaz-Marin teilte mit. Sie führten umfangreiche Untersuchungen durch und fanden heraus, dass einige Salze, wie zum Beispiel Steinsalz, Feuchtigkeit effizient aufsaugen können.
Unter diesen ragte Lithiumchlorid aufgrund seiner unglaublichen Fähigkeit heraus, mehr als das Zehnfache seiner eigenen Masse an Feuchtigkeit aufzunehmen. Allerdings kann Lithiumchlorid allein die Feuchtigkeit um sich herum nur bündeln, ohne sie zu speichern.
Von Windeln zu einem bahnbrechenden Hydrogel-Material
Dies veranlasste die Forscher, Hydrogel und Lithiumchlorid zu kombinieren, was zu einem superabsorbierenden Material führte, das Feuchtigkeit anziehen und speichern konnte.
Graeber verdeutlichte diesen Ansatz mit den Worten: „Es ist das Beste aus beiden Welten.“ Das Hydrogel kann viel Wasser speichern und das Salz kann viel Dampf einfangen. Daher liegt es auf der Hand, dass man beides kombinieren möchte.“
Die Innovation des MIT-Teams hörte hier jedoch nicht auf. Sie stellten fest, dass andere Teams hinsichtlich der Salzmenge, die sie in das Hydrogel einfüllen konnten, auf eine Hürde stießen.
Frühere Versuche konnten nur 4 bis 6 Gramm Salz pro Gramm Polymer einbringen, was bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 30 Prozent zu einer Absorption von etwa 1,5 Gramm Dampf pro Gramm Material führte.
Anstatt dabei aufzuhören, beschloss das MIT-Team, die Grenzen zu verschieben. Sie experimentierten mit einem längeren Infusionsprozess, der über Wochen statt über Stunden dauerte.
Sie schnitten Hydrogelröhrchen in dünne Scheiben und legten jede Scheibe in eine Lithiumchloridlösung unterschiedlicher Konzentration. Die Scheiben wurden jeden Tag gewogen, um zu messen, wie viel Salz absorbiert worden war, und dann wieder in ihre Lösungen gegeben.
Die Endergebnisse ihrer Arbeit übertrafen die Erwartungen
Die Ergebnisse waren frappierend. Nach einem einmonatigen Prozess enthielten Hydrogele bis zu 24 Gramm Salz pro Gramm Polymer. Bei Tests unter verschiedenen Luftfeuchtigkeitsbedingungen quellen die verbesserten Gele auf und nehmen mehr Feuchtigkeit auf, ohne auszulaufen.
Dies geschah bereits bei einer sehr niedrigen relativen Luftfeuchtigkeit von 30 Prozent. In diesem trockenen Zustand nahmen die Gele „rekordverdächtige“ 1,79 Gramm Wasser pro Gramm Material auf.
Díaz-Marin schwärmte: „Jede Wüste hätte nachts eine so niedrige relative Luftfeuchtigkeit, dass dieses Material möglicherweise Wasser in der Wüste erzeugen könnte.“ Er wies darauf hin, dass ihr nächstes Ziel darin bestehe, die Geschwindigkeit zu erhöhen, mit der das Material Feuchtigkeit aufnimmt.
Graeber fügte hinzu: „Die große, unerwartete Überraschung war, dass wir mit einem so einfachen Ansatz die bisher höchste gemeldete Dampfaufnahme erzielen konnten.“ Das Hauptaugenmerk wird nun auf der Kinetik liegen und darauf, wie schnell wir das Material dazu bringen können, Wasser aufzunehmen. Dadurch können Sie dieses Material sehr schnell zirkulieren lassen, sodass Sie, statt nur einmal am Tag Wasser zurückzugewinnen, vielleicht 24 Mal am Tag Wasser ernten könnten.“
Es stehen noch weitere Arbeiten an, um das enorme Potenzial des Hydrogels freizusetzen
Die im Device Research Lab des MIT durchgeführten Untersuchungen unterstreichen das enorme Potenzial dieses superabsorbierenden Materials. Dies könnte einen bedeutenden Fortschritt bei der Suche nach einer nachhaltigeren Wassergewinnung und energiesparenden Praktiken darstellen.
Die Welt erwartet mit Spannung die nächsten Entwicklungen, während wir uns einer Zukunft nähern, in der die Wasserknappheit in Wüstenregionen der Vergangenheit angehören könnte.
Mehr zur globalen Wassersicherheit
Die globale Wassersicherheit ist ein kritisches Thema, das aufgrund der wachsenden Bevölkerung, des Klimawandels und der gestiegenen industriellen Nachfrage immer wichtiger wird. Es bezieht sich auf den zuverlässigen Zugang und die Verfügbarkeit von sauberem, sicherem Wasser für alle und überall. Es ist ein wesentlicher Aspekt der globalen Sicherheit, Gesundheit und Entwicklung.
Zum Zeitpunkt des Stichtags im September 2021 gab es meines Wissens bereits zahlreiche Herausforderungen, die die globale Wassersicherheit bedrohten. Hier sind einige davon:
Wassermangel
Wasserknappheit wird durch eine Kombination von Faktoren wie Übernutzung, Verschwendung, Umweltverschmutzung und Klimawandel verursacht. Die Vereinten Nationen schätzen, dass bis 2025 fast zwei Drittel der Weltbevölkerung unter „Wasserknappheit“ leiden könnten.
Klimawandel
Durch den Klimawandel verursachte Wetteränderungen können zu Dürren, Überschwemmungen und unvorhersehbaren Niederschlägen führen, wodurch die Wasserverfügbarkeit weniger vorhersehbar wird.
Bevölkerungswachstum und Urbanisierung
Schnelles Bevölkerungswachstum und Urbanisierung führen häufig zu einem erhöhten Wasserbedarf, der manchmal das Angebot übersteigt.
Verschmutzung
Verschmutzung durch Industrie, Landwirtschaft und Hausmüll kann Wasserquellen verunreinigen, sie für den menschlichen Verbrauch unsicher machen und die insgesamt verfügbare Menge an sauberem Wasser verringern.
Unzureichende Infrastruktur
In vielen Teilen der Welt ist die Wasserinfrastruktur veraltet oder unzureichend. Dies kann aufgrund von Leckagen oder ineffizienten Verteilungssystemen zu erheblichen Wasserverlusten führen.
Politische und grenzüberschreitende Fragen
Wasserquellen überschreiten häufig nationale Grenzen und Meinungsverschiedenheiten über Nutzungsrechte können zu Konflikten führen. Effektives Wassermanagement und die Zusammenarbeit zwischen Ländern sind für die globale Wassersicherheit von entscheidender Bedeutung.
Die Bewältigung dieser Herausforderungen erfordert eine gemeinsame globale Anstrengung. Mögliche Lösungen umfassen verbesserte Wassermanagementstrategien, erhöhte Investitionen in die Infrastruktur, die Umsetzung von Wasserschutzmaßnahmen, die Kontrolle der Umweltverschmutzung und den Einsatz neuer Technologien wie des von MIT-Ingenieuren entwickelten superabsorbierenden Hydrogels.
Um eine globale Wassersicherheit zu erreichen, geht es nicht nur darum, genügend Wasser zu haben, sondern auch darum, sicherzustellen, dass das Wasser sicher und für alle zugänglich ist. Es ist ein integraler Bestandteil der nachhaltigen Entwicklung und von entscheidender Bedeutung für die Gesundheit und das Überleben von Gemeinschaften auf der ganzen Welt.