Laut den Vereinten Nationen haben immer noch 2,2 Milliarden Menschen keinen Zugang zu sicher verwaltetem Trinkwasser – was bedeutet, dass viele entweder Meilen für einen Schluck laufen oder für abgefülltes Wasser tief in die Tasche greifen. Um die Nachfrage zu decken, setzen Regionen von Kalifornien bis zu Teilen des Nahen Ostens auf Entsalzungsanlagen, die Meerwasser in Süßwasser verwandeln. Doch der Prozess ist teuer, energiehungrig und erzeugt riesige Mengen konzentrierter Salzlake, die, wenn sie zurück ins Meer gekippt wird, durch erhöhten Salzgehalt und Sauerstoffentzug die Meeresökosysteme verwüstet. Es ist, als würde man ein Problem lösen und dabei ein anderes schaffen – nur salziger.
Forscher der University of Rochester unter der Leitung von Optik- und Physikprofessor Chunlei Guo haben ein solarbetriebenes Entsalzungssystem vorgestellt, das die meisten dieser Kopfschmerzen umgeht. Ihr Ansatz, beschrieben in der Zeitschrift Light: Science & Applications, produziert effizient Süßwasser, benötigt keine chemische Vorbehandlung und – entscheidend – erzeugt keine Salzlake-Abfälle. Stattdessen gewinnt er fast alle gelösten Salze in fester Form zurück, was so nah dran ist, sein Meerwasser zu haben und es auch zu trinken, wie die Wissenschaft es bisher geschafft hat.
Das System basiert auf Solarmodulen aus schwarzem Metall, das mit Femtosekundenlasern strukturiert wurde. Diese Behandlung verleiht der Oberfläche zwei Superkräfte: Sie absorbiert fast alles einfallende Sonnenlicht und wird superbenetzend – das heißt, sie liebt Wasser fast so sehr wie ein dehydrierter Marathonläufer. Ein laserstrukturierter aktiver Bereich zieht eine dünne Schicht Meerwasser über das Panel. Sonnenlicht verdunstet das Wasser, das zu Süßwasser destilliert wird, während gelöste Salze und Mineralien zu unbehandelten passiven Bereichen geleitet werden, was die Ablagerung verhindert, die normalerweise minderwertigere Entsalzungstechnik verstopft.
Guo merkt an, dass viele solarthermische Entsalzungssysteme im Labor mit vereinfachtem Meerwasser aus nur Wasser und Natriumchlorid gut funktionieren. Aber echte Ozeane enthalten Magnesium und Kalzium, die beim Kristallisieren harte, dichte Krusten bilden – ähnlich wie Mineralablagerungen in einem Teekessel, nur dass Meerwasser weitaus konzentrierter ist. Um dies zu bewältigen, entwarf das Team mikroskopische Rillen auf der schwarzen Metalloberfläche, die Salze dazu anregen, aus der aktiven Zone zu wandern, bevor sie sich ansammeln können, und nutzt dabei den Kaffeering-Effekt – dasselbe Phänomen, das den lästigen braunen Ring auf Ihrem Tisch hinterlässt, wenn etwas verschüttet wird. „Wenn Sie Kaffee auf eine Oberfläche tropfen, verdunstet das Wasser irgendwann und es bleibt ein Ring am äußeren Rand zurück“, erklärt Guo. „Wir nutzen dasselbe Prinzip, um die Salze in die passive Region zu befördern.“
Bei Tests mit Wasser aus dem Pazifik, Atlantik und Indischen Ozean reinigte sich die Oberfläche kontinuierlich selbst, entzog Süßwasser und leitete Salze in passive Bereiche, wo sie ohne Leistungseinbußen gesammelt werden konnten. Einer der größten Vorteile: Die zurückgewonnenen Feststoffe könnten wertvolle Mineralien wie Lithium liefern, einen Schlüsselbestandteil von E-Auto-Batterien. In einer verwandten Studie im Journal of Materials Chemistry A betteten Guo und Kollegen Wasserstofftitanat-Nanopartikel in die Metallrillen ein, um Lithium selektiv von anderen Salzen zu trennen. Mit Wasser aus dem Großen Salzsee in Utah gewannen sie etwa 50 Prozent des in den übrig gebliebenen Salzen enthaltenen Lithiums zurück. „Lithium aus der Erde zu gewinnen hat sich als sehr energie- und umweltintensiv erwiesen“, sagt Guo, „daher könnte die direkte Gewinnung von Lithium aus Salzwasser ein sehr wichtiger zukünftiger Weg sein.“
Die Technologie ist noch ein Proof-of-Concept, aber Guo glaubt, dass sie erheblich skaliert werden kann, möglicherweise den Zugang zu sauberem Trinkwasser verbessert und gleichzeitig nachhaltigere Quellen für kritische Mineralien schafft. Die Forschung wurde von der National Science Foundation, der Bill & Melinda Gates Foundation und dem Worldwide Universities Network unterstützt. Weitere Mitwirkende waren Senior Scientist Subash Singh, Alumnus Ran Wei '24, Doktoranden Luheng Tang und Tainshu Xu sowie Mingjiang Ma vom Institute of Optics.