Auf der ganzen Welt haben Milliarden von Menschen noch immer keinen zuverlässigen Zugang zu sicherem Trinkwasser. Die Vereinten Nationen schätzen, dass 2,2 Milliarden Menschen kein sicher bewirtschaftetes Trinkwasser haben, während Regionen von Kalifornien bis zum Nahen Osten zunehmend auf Entsalzungsanlagen angewiesen sind, um Meerwasser in Süßwasser umzuwandeln. Also, na ja, kein Druck.

Die Entsalzung kann eine kritische Wasserversorgung bieten, doch die heute gängigsten Methoden haben erhebliche Nachteile. Die Umkehrosmose presst Wasser durch spezielle Membranen, um Salz zu entfernen, während die thermische Destillation Hitze nutzt, um Süßwasser vom Meerwasser zu trennen. Beide Ansätze können große Mengen Energie verbrauchen, erfordern oft eine Wasseraufbereitung vor und nach dem Prozess und erzeugen einen hochkonzentrierten salzigen Abfall, der als Sole bekannt ist. Wenn diese Sole zurück ins Meer geleitet wird, kann sie den lokalen Salzgehalt erhöhen und den Sauerstoffgehalt senken, was schädliche Bedingungen für Meeresorganismen schafft. Kurz gesagt: Wir bekommen Trinkwasser, die Fische bekommen einen feindlichen Arbeitsplatz.

Forscher der University of Rochester haben einen anderen Ansatz entwickelt, der mehrere dieser Probleme auf einmal angehen könnte. Wissenschaftler am Institute of Optics der URochester haben ein solarthermisches Entsalzungssystem entwickelt, das darauf ausgelegt ist, effizient Süßwasser zu produzieren, ohne flüssige Sole zu erzeugen oder chemische Zusätze zur Vorbehandlung des eingehenden Wassers zu benötigen. Die Methode wird in einem Artikel beschrieben, der in Light: Science & Applications veröffentlicht wurde. Die Forschung wurde von Chunlei Guo geleitet, einem Professor für Optik und Physik und leitenden Wissenschaftler am Laboratory for Laser Energetics der URochester.

Im Herzen der Technologie stehen Solarpaneele aus schwarzem Metall, das mit Femtosekundenlasern behandelt wurde. Eine Femtosekunde ist eine außerordentlich kurze Zeiteinheit, gleich einem Billiardstel einer Sekunde. Pulse dieser Ultrakurzpulslaser können die Oberfläche eines Materials präzise verändern und mikroskopische Strukturen erzeugen, die dramatisch verändern, wie es mit Licht und Wasser interagiert. Die Laserbehandlung macht das Metall extrem effektiv bei der Absorption von Sonnenlicht und verleiht ihm zudem superdochtartige Eigenschaften, was bedeutet, dass sich Wasser schnell über die Oberfläche ausbreitet, anstatt sich abzukugeln.

Jedes Paneel enthält einen laserbehandelten aktiven Bereich, der eine sehr dünne Schicht Meerwasser über seine Oberfläche zieht. Das dunkle Metall absorbiert fast die gesamte eingehende Sonnenstrahlung, erhitzt das Wasser und lässt es verdampfen. Diese Verdampfung lässt Salze und andere gelöste Mineralien zurück. Anstatt zuzulassen, dass sich diese Materialien dort ansammeln, wo die Verdampfung stattfindet, leitet das Paneel sie zu unbehandelten Bereichen an seinen Seiten, der sogenannten passiven Region. Diese Bewegung ist wichtig, denn Salzablagerungen sind eine der größten Herausforderungen für solarthermische Entsalzungssysteme. Wenn Mineralien eine harte Schicht über die aktive Oberfläche bilden, können sie den Wasserfluss blockieren und das System schließlich funktionsunfähig machen.

Guo sagt, frühere solarthermische Entsalzungssysteme hätten in Laborexperimenten mit vereinfachtem künstlichem Meerwasser aus Wasser und Natriumchlorid oft gut abgeschnitten. Wenn Natriumchlorid beim Verdampfen von Wasser kristallisiert, neigt es dazu, eine relativ körnige und poröse Struktur zu bilden. Wasser kann weiter durch diese Kristalle fließen, was hilft, angesammeltes Salz aufzulösen und die Oberfläche leichter zu reinigen. Aber echtes Meerwasser ist ein anderes Kaliber. Zusätzlich zu Natriumchlorid enthält es Magnesium, Calcium und viele andere gelöste Stoffe. Einige dieser Verbindungen können zu harten, dichten Ablagerungen kristallisieren, die viel weniger porös sind. Es ähnelt dem Mineralbelag, der sich allmählich in einem Duschkopf oder Teekessel bildet. In einem Entsalzungssystem ist die Herausforderung jedoch viel größer, weil Meerwasser Hunderte Male mehr gelöste Salze enthält als gewöhnliches Leitungswasser. Wenn sich diese Ablagerungen ansammeln, kann Wasser nicht mehr frei über die Oberfläche fließen, was die Effizienz verringert und das System schließlich verstopft.

Um dieses Problem zu überwinden, hat Guos Team sorgfältig Mikro-