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Rund 2,2 Milliarden Menschen weltweit haben keinen Zugang zu sicherem Trinkwasser. Bisherige Entsalzungsanlagen verbrauchen viel Energie und hinterlassen giftige Sole. Ein Forschersteam der Universität Rochester hat nun ein solarthermisches System entwickelt, das Meerwasser ohne Chemie entsalzt, sich selbst reinigt und dabei sogar Lithium für Batterien gewinnt. Wir erklären dir, wie die Technologie funktioniert und warum sie gleich zwei globale Probleme lösen könnte.
Nach Schätzungen der Vereinten Nationen fehlt rund 2,2 Milliarden Menschen weltweit der Zugang zu sicher bewirtschaftetem Trinkwasser. Um diesen Mangel zu beheben, setzen viele Gemeinden von Kalifornien bis zum Nahen Osten auf Meerwasserentsalzungsanlagen, um Ozeanwasser in Frischwasser umzuwandeln.
Gängige Verfahren wie die Umkehrosmose oder die thermische Destillation sind aber sehr energieintensiv. Zudem erfordern sie eine aufwendige Vor- und Nachbereitung des Wassers. Ein zentrales ökologisches Problem dieser etablierten Technologien ist die Entstehung von hochkonzentrierter Salzbrühe, der sogenannten Sole.
Wenn dieses Sole-Nebenprodukt zurück in den Ozean geleitet wird, richtet es verheerende Schäden am marinen Leben an. Es erhöht den Salzgehalt des Meerwassers lokal drastisch und senkt gleichzeitig den lebenswichtigen Sauerstoffgehalt. Ein Forscherteam der Universität Rochester präsentierte nun eine nachhaltige Alternative.
Laser-geätzten Solarpanels gewinnen Lithium aus Meerwasser
Das neu entwickelte System arbeitet rein solarthermisch und kommt ohne chemische Additive aus. Die Forscher um Chunlei Guo, Professor für Optik und Physik am dortigen Institut für Optik, nutzen dafür spezielle Solarpanels aus schwarzem Metall.
Diese Panels werden vorab mit Femtosekundenlasern präzise geätzt. Durch diese Oberflächenbehandlung wird das Metall intensiv lichtabsorbierend und entwickelt superkapillare Eigenschaften, sodass es Wasser stark anzieht. Im Betrieb zieht die behandelte aktive Region des Panels eine hauchdünne Wasserschicht über die Oberfläche. Diese Schicht absorbiert fast die gesamte einfallende Solarstrahlung, wodurch das Wasser destilliert wird.
Andere solarthermische Konzepte scheitern in der Praxis oft daran, dass im Meerwasser enthaltene Magnesium- und Kalziumverbindungen krustige, nicht-poröse Ablagerungen bilden. Diese Rückstände verstopfen die Oberfläche ähnlich wie Kalk in einem Teekessel, wodurch das Wasser schließlich nicht mehr durchsickern kann.
Warum der Kaffeering-Effekt Verstopfungen verhindert
Um diese Verkrustungen zu verhindern, nutzte das Team ein bekanntes physikalisches Phänomen, das als Kaffeering-Effekt bezeichnet wird. Bei einem verdunstenden Kaffeetropfen lagern sich die Kaffeepartikel konzentriert am äußeren Rand ab.
Die präzise geätzten Rillen der Solarpanels leiten die im Wasser gelösten Salze und Minerale gezielt in die unbehandelten, passiven Randbereiche ab. Dadurch bleibt die aktive Zone dauerhaft frei von Verstopfungen, und die Anlage behält ihre kontinuierliche Funktion bei.
In praktischen Versuchen mit Wasserproben aus dem Atlantischen, Pazifischen und Indischen Ozean bewies das System seine Selbstreinigungskraft. Die Salze lagerten sich vollständig im passiven Bereich ab, ohne die Beförderungseffizienz der solaren Destillation zu beeinträchtigen.
Chunlei Guo erklärte dazu, dass man genau dieses Prinzip verwende, um die Salze in die passive Region zu befördern, wo sie später einfach in fester Form eingesammelt werden könnten. Auf diese Weise entfällt die Entsorgung flüssiger Soleabfälle vollständig.
Lithium aus Meerwasser: Ein wertvolles Nebenprodukt
Die vollständige Gewinnung der Feststoffe bietet erhebliche wirtschaftliche und ökologische Vorteile gegenüber herkömmlichen Methoden. Neben gewöhnlichem Speisesalz lassen sich aus den Rückständen auch wertvolle Rohstoffe isolieren.
In einer begleitenden Studie im Journal of Materials Chemistry A beschreiben die Wissenschaftler, wie sie die Solarpanels modifiziert haben, um gezielt Lithium zu separieren. Dafür bettet das Team Nanopartikel aus Hydrogentitanat in die mikroskopischen Metallrillen ein, welche die Lithiumionen isolieren.
Bei ersten Tests mit stark salzhaltigem Wasser aus dem Großen Salzsee konnten die Forscher bereits rund 50 Prozent des vorhandenen Lithiums erfolgreich extrahieren. Da der konventionelle Abbau dieses Metalls an Land sehr energieaufwendig ist, stellt die Gewinnung aus Salzwasser eine zukunftsweisende Route dar.
Unterstützt von der National Science Foundation, der Bill & Melinda Gates Foundation und dem Worldwide Universities Network könnte die skalierbare Technologie nun weiterentwickelt werden, um die weltweite Trinkwasserversorgung und die Rohstoffketten für Batterien zu sichern.
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