de.wedoany.com-Bericht: Ein gemeinsames Team des Instituts für Verfahrenstechnik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der Universität Shenzhen hat einen polymeren „Verriegelungsmechanismus“ vorgeschlagen, der Nanopartikel zu einem dreidimensionalen photothermischen Verdunstungsmaterial verwebt. Dadurch wird die solare Meerwasser-Verdunstungsrate erheblich gesteigert. In einem Außentestgerät wurde die erste Erprobung von der Meerwasserentsalzung bis zur landwirtschaftlichen Bewässerung durchgeführt. Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden in der internationalen Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.
Wasserknappheit ist zu einem globalen Problem geworden; etwa ein Viertel der Weltbevölkerung leidet unter Süßwassermangel. Die solare Grenzflächenverdunstung gilt als umweltfreundlicher Weg zur Wassergewinnung, doch die Kernhürde liegt darin: Wenn hochleistungsfähige photothermische Nanopulver zu makroskopischen Bauteilen verarbeitet werden, neigen die Partikel zur Agglomeration, die dreidimensionale Struktur ist mechanisch schwach, und das Licht zersetzt allmählich das organische Gerüst, was zur Alterung und zum Versagen des Materials führt. Wie man Nanopartikel stabil aggregieren und ihre langfristige Leistungsfähigkeit erhalten kann, ist ein dringend zu lösendes Schlüsselproblem.
Das gemeinsame Team ließ sich vom „Verriegelungsmechanismus“ inspirieren. Zunächst stellten sie mehrschichtige hohle Nanokugelschalen her. Diese dienten als Verbindungspunkte. Basierend auf dem Prinzip der Kompatibilität von Polymeren und Lösungsmitteln ließen sie die Polyester-Molekülketten wie Nähfäden präzise durch die feinen Poren der Kugelschalen laufen, wodurch die Partikel fest miteinander vernäht wurden und ein robustes dreidimensionales Netzwerk, ähnlich einem „Nano-Wald“, entstand. Diese Struktur verhindert sowohl die Agglomeration der Partikel als auch den Aufbau effizienter Wassertransportkanäle.
Experimentelle Daten zeigen, dass die Struktur durch Mehrfachstreuung und -absorption eine Solarabsorption von 90,2 % erreicht. Der nanoskalige begrenzte Raum verändert das Wasserstoffbrückennetzwerk zwischen den Wassermolekülen, wodurch die für die Verdunstung der gleichen Wassermenge benötigte Energie um 45,7 % reduziert wird. Ein einzelner Verdunstungskörper erreichte im Test eine Verdunstungsrate von 38,14 kg pro Quadratmeter und Stunde – das 8,5-Fache des zuvor vom Team entwickelten zweidimensionalen Films. In einem 30-tägigen beschleunigten Meerwasser-Alterungstest lösten sich keine Nanopartikel ab, und das Material erzeugte unter Lichteinwirkung keine aktiven freien Radikale, wodurch das Problem der Zersetzung der organischen Basis gelöst wurde.
Um das neue Material vom Labor in die Anwendung zu überführen, realisierte das Team im Langfang Engineering Test Base des Instituts für Verfahrenstechnik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften mit einem 20-Liter-Wasserheizautoklaven und einem Mehrzonen-Tunnelofen eine Produktion im Hundert-Gramm-Maßstab. Durch Optimierung der Anordnung mittels computergestützter Fluidsimulation entwickelte das Team ein modulares Photovoltaik-Photothermik-Kopplungssystem und baute ein 0,75 m² großes Außentestgerät.
Unter natürlichem Sonnenlicht produziert das Gerät täglich 20,16 Liter Süßwasser, was den grundlegenden Trinkwasserbedarf von etwa 10 Personen decken kann. Die Wasserqualität entspricht den Trinkwasserstandards der WHO. Das erzeugte Süßwasser wurde erfolgreich ein ganzes Jahr lang zur Bewässerung von 5 m² Ackerland genutzt. Pflanzen wie Spinat, Mais und Chinakohl durchliefen vollständige Wachstumszyklen, was die Machbarkeit der landwirtschaftlichen Bewässerung bestätigte. Eine Lebenszykluskostenanalyse zeigt, dass die Wasserkosten nach zweijährigem Betrieb des Geräts unter denen von handelsüblichem Flaschenwasser liegen werden.
Das Forschungsteam arbeitet derzeit weiter an der Optimierung der Kondensationseffizienz und der Systemkosten, um die großflächige Einführung dieser Technologie in küstennahen wasserarmen Regionen, auf Inseln und in abgelegenen Gebieten voranzutreiben.
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