Den Durst der trockenen Welt stillen: Kompakte, brennstoffbetriebene atmosphärische Wasseraufbereiter

Da die Weltbevölkerung weiter ansteigt und der Klimawandel die traditionellen Wasserquellen erschüttert, ist der Bedarf an innovativen Ansätzen zur Süßwassergewinnung so groß wie nie zuvor. Weltweit leben über 4 Milliarden Menschen in Regionen mit Wasserknappheit, und Experten sagen voraus, dass diese Zahl in den kommenden Jahrzehnten noch steigen wird. Die Bewältigung dieser großen Herausforderung erfordert dezentrale, zuverlässige Technologien, die selbst in den trockensten Klimazonen Wasser aus der Luft gewinnen können.

Eine vielversprechende Lösung ist in Form von sorptionsbasierten atmosphärischen Wassergewinnungssystemen (SAWH) aufgetaucht. Diese Systeme nutzen poröse Materialien, sogenannte Sorptionsmittel, um Wasserdampf aus der Luft durch einen zyklischen Adsorptions- und Desorptionsprozess aufzufangen. In den letzten Jahren wurden bei der SAWH rasche Fortschritte erzielt, wobei neuartige Sorptionsmaterialien und innovative Gerätekonstruktionen die Grenzen des Machbaren verschoben haben. Es bestehen jedoch noch erhebliche technische Herausforderungen, bevor die SAWH auf breiter Basis als praktikable Lösung für die Süßwassergewinnung weltweit eingesetzt werden kann.

Forscher an der University of Utah haben sich diesen Herausforderungen gestellt und den ersten SAWH-Prototyp entwickelt, der kompakte, schnelle Zyklen und brennstoffbetriebene Desorption nutzt, um eine noch nie dagewesene Wasserproduktion auf kleinem Raum zu erreichen. Ihr "Compact Rapid Cycling Fuel-Fired"-Gerät (CRCF) ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur praktischen Anwendung von SAWH, da es die wichtigsten Einschränkungen überwindet, die einer breiten Anwendung dieser vielversprechenden Technologie bisher im Wege standen.

Die Suche nach kompakten, leistungsstarken SAWH
SAWH-Geräte funktionieren, indem sie Sorptionsmaterialien zyklisch durch Adsorptions- und Desorptionsphasen führen. Während der Adsorption nimmt das Sorptionsmittel Wasserdampf aus der Umgebungsluft auf. Wenn das Sorptionsmittel gesättigt ist, wird es erhitzt, um das eingefangene Wasser freizusetzen, das dann in flüssiger Form kondensiert. Dieser zyklische Prozess ermöglicht es SAWH-Systemen, kontinuierlich Frischwasser aus der Luft zu gewinnen.

Während das grundlegende SAWH-Konzept einfach ist, hat sich die Optimierung der Leistung und Kompaktheit dieser Geräte als schwierig erwiesen. Eine wichtige Kennzahl ist die tägliche Wasserproduktivität (P), die die pro Masseneinheit des Sorptionsmaterials produzierte Wassermenge misst. Die Maximierung von P ist entscheidend für die Minimierung der Größe und der Kosten von SAWH-Systemen. Eine weitere wichtige Kennzahl ist die volumetrische Produktivität (Pv), die den täglichen Wasserausstoß pro Volumeneinheit des Adsorptionssystems angibt. Ein hoher Pv-Wert ermöglicht kompakte, platzsparende SAWH-Geräte.

Jüngste SAWH-Innovationen haben sich stark auf die Entwicklung neuartiger Sorptionsmaterialien mit hoher Wasseraufnahme und schneller Adsorptions-/Desorptionskinetik konzentriert. Metallorganische Gerüste (MOFs) haben sich als eine besonders vielversprechende Klasse von Sorptionsmitteln erwiesen, die außergewöhnliche Fähigkeiten zur Wasseraufnahme bieten. Fortschritte bei den Materialien allein reichen jedoch nicht aus - die Technik auf Systemebene spielt eine entscheidende Rolle, um das volle Potenzial von SAWH zu erschließen.

"In der aktuellen SAWH-Forschung wurde die Bedeutung von Systemdesign und -integration oft übersehen", erklärt Sameer Rao, Hauptautor der Studie und Assistenzprofessor für Maschinenbau an der University of Utah. "Das Erreichen einer hohen Leistung bei beiden Produktivitätskennzahlen - P und Pv - ist entscheidend, um SAWH zu einer praktischen, weit verbreiteten Technologie zu machen.

Rao und sein Team erkannten, dass für die Bewältigung der Herausforderungen auf Systemebene bei SAWH ein neuer Ansatz erforderlich war. Ihre Lösung war das CRCF-Gerät, das zwei wesentliche Einschränkungen bestehender SAWH-Systeme beseitigt: die Abhängigkeit von intermittierender Solarenergie für die Desorption und die Schwierigkeit, eine kompakte Wasserproduktion mit hoher Dichte zu erreichen.

Die Zukunft der atmosphärischen Wassergewinnung
Herkömmliche SAWH-Geräte nutzen häufig Solarenergie oder Strom für den Desorptionsprozess, bei dem das aufgefangene Wasser aus dem Sorptionsmaterial freigesetzt wird. Dieser Ansatz funktioniert gut an sonnigen, netzgebundenen Standorten, bringt jedoch erhebliche Einschränkungen mit sich. Solarbetriebene Systeme sind von den Tageslichtstunden und den Wetterbedingungen abhängig, während elektrisch betriebene Systeme eine kostspielige Energiespeicherung benötigen, um kontinuierlich zu arbeiten.

Der von Rao und seinem Team entwickelte CRCF-Prototyp verfolgt einen anderen Ansatz und nutzt eine kompakte Wärmequelle auf Verbrennungsbasis, um den Desorptionsprozess anzutreiben. Durch die Nutzung der hohen Energiedichte flüssiger Brennstoffe kann das CRCF-Gerät unabhängig von der Sonne oder dem Stromnetz arbeiten und ermöglicht eine zuverlässige, ganztägige Wasserproduktion.

"Die brennstoffbetriebene Desorption ist für SAWH ein entscheidender Fortschritt", sagt Rao. "Sie ermöglicht es uns, das System von intermittierenden Energiequellen zu entkoppeln und ebnet den Weg für eine wirklich autonome, netzunabhängige Wassergewinnung."

Das CRCF-Gerät verfügt über einen maßgeschneiderten Adsorptionswärmetauscher (AHX), der das Sorptionsmittel - in diesem Fall ein Aluminiumfumarat-MOF - aufnimmt. Der AHX ist über eine passive Wärmerohrbaugruppe mit einer brennstoffbefeuerten Wärmequelle verbunden, die die Verbrennungswärme zur Desorption effizient auf das Sorptionsmittel überträgt. Während der Adsorptionsphase wird Umgebungsluft durch das AHX gesaugt, so dass das MOF Wasserdampf einfangen kann. Wenn das Sorptionsmittel gesättigt ist, liefern die Wärmerohre die notwendige Wärmeenergie, um das Wasser freizusetzen, das dann kondensiert und gesammelt wird.

Dieser brennstoffbetriebene Ansatz ermöglicht nicht nur einen kontinuierlichen Betrieb, sondern auch ein kompakteres Gerätedesign im Vergleich zu solarbetriebenen Systemen. "Durch den Wegfall der sperrigen Solarpaneele und des Energiespeichers können wir das CRCF-Gerät auf einer viel kleineren Grundfläche unterbringen", erklärt Rao. "Dies ist ein entscheidender Vorteil für den Einsatz in der Praxis, wo Platz und Tragbarkeit oft eine große Rolle spielen.

Prototypentests und Leistungsoptimierung
Um das CRCF-Konzept zu validieren und Möglichkeiten für weitere Verbesserungen zu ermitteln, führten die Forscher eine Reihe von Experimenten im Innen- und Außenbereich durch. Der Prototyp wurde zunächst in einer kontrollierten Laborumgebung getestet, wo er eine tägliche Wasserproduktivität von 0,95 kg pro kg MOF und eine volumetrische Produktivität von 38,5 kg pro Kubikmeter AHX pro Tag erreichte.

Anschließend brachte das Team das CRCF-Gerät nach draußen und setzte es den rauen, trockenen Bedingungen von Salt Lake City, Utah, aus. Im Laufe von 25 Stunden absolvierte der Prototyp fünf kontinuierliche Wassergewinnungszyklen und produzierte insgesamt 266 Gramm flüssiges Wasser. Diese Leistung im Freien war zwar etwas geringer als bei den Tests in den Innenräumen, aber angesichts der schwierigen Umweltbedingungen dennoch eine beachtliche Leistung.

"Die Experimente im Freien lieferten wertvolle Einblicke in die realen Herausforderungen von SAWH, wie zum Beispiel die Auswirkungen von niedrigen Temperaturen und Feuchtigkeit auf die Adsorptionskinetik", sagt Rao. "Diese Erkenntnisse werden für die weitere Optimierung des CRCF-Designs entscheidend sein."

Eine der wichtigsten Einschränkungen, die bei den Tests festgestellt wurden, war die Effizienz des Wasserkondensationsprozesses. Das Team stellte fest, dass ein erheblicher Teil des desorbierten Wasserdampfs nicht erfolgreich kondensiert wurde, was die Gesamtwasserausbeute des Systems reduzierte. Dieses Problem ist eine häufige Herausforderung bei SAWH-Geräten, da das Vorhandensein von nicht kondensierbaren Gasen (wie Luft) den Kondensationsprozess behindern kann.

Um dieses Problem zu lösen, untersuchten die Forscher Strategien zur Verbesserung der Kondensationseffizienz, wie z. B. den Einbau eines geschlossenen Luftkreislaufs. Durch die Umwälzung des desorbierten Luftstroms konnten sie die Kondensationsrate erhöhen und die Gesamtleistung der Wassergewinnung verbessern.

Aufbauend auf diesen experimentellen Erkenntnissen wandte sich das Forschungsteam der Computermodellierung zu, um den Designraum zu erkunden und Möglichkeiten für weitere Optimierungen zu ermitteln. Mithilfe ihres validierten Simulationsrahmens führten sie eine parametrische Studie durch, um die Beziehungen zwischen wichtigen Designvariablen - wie der Dicke der Sorptionslamellen und dem Ausmaß der Adsorptionstrunkierung - und den P- und Pv-Metriken des Systems zu verstehen.

Die Ergebnisse dieser Optimierungsstudie waren beeindruckend. Durch sorgfältige Abstimmung der AHX-Geometrie und der Zyklusmuster konnten die Forscher ein CRCF-System entwerfen, das eine tägliche Wasserproduktivität von 3,19 kg pro kg MOF und eine volumetrische Produktivität von 718 kg pro Kubikmeter AHX pro Tag erreicht. Diese Zahlen stellen eine 1,53-fache bzw. 2,13-fache Verbesserung gegenüber dem derzeitigen Stand der Technik bei MOF-basierten SAWH-Geräten ohne Kühlung dar.

"Der Schlüssel zur Erzielung dieser Leistungssteigerung liegt in unserer Fähigkeit, das Sorptionsmaterial schnell zu zirkulieren und die Wasserproduktion pro Volumeneinheit zu maximieren", erklärt Rao. "Das CRCF-Design mit seiner brennstoffbetriebenen Desorption und dem kompakten Wärmetauscher bietet die Flexibilität, diese kritischen Parameter zu optimieren.

Scaling Up for Global Impact
Der vom Team der University of Utah entwickelte CRCF-Prototyp ist nicht nur ein Proof-of-Concept, sondern ein bedeutender Schritt auf dem Weg, SAWH zu einer praktikablen Lösung für den Umgang mit globaler Wasserknappheit zu machen. Durch die Kombination eines innovativen Systemdesigns mit Hochleistungsmaterialien haben die Forscher das ungenutzte Potenzial dieser Technologie aufgezeigt.

"Das wirklich Spannende am CRCF-Konzept ist seine Skalierbarkeit und Anpassungsfähigkeit", sagt Rao. "Das AHX-Baukastensystem bedeutet, dass wir das System problemlos erweitern können, um den Wasserbedarf von Gemeinden jeder Größe zu decken, von einzelnen Haushalten bis hin zu größeren Gemeinden.

Die Forscher stellen sich eine Zukunft vor, in der CRCF-basierte SAWH-Geräte weltweit eingesetzt werden und selbst in den trockensten Regionen einen zuverlässigen Zugang zu Süßwasser ermöglichen. Durch die Entkopplung des Systems von der Sonne und dem Stromnetz könnten diese brennstoffbetriebenen Erntemaschinen für netzferne Gemeinden und Katastrophenhilfe, wo der Zugang zu sauberem Wasser oft eine kritische Herausforderung darstellt, eine entscheidende Rolle spielen.

"Letztendlich ist es unser Ziel, das volle Potenzial von SAWH zu erschließen und es für diejenigen, die es am meisten brauchen, in die Praxis umzusetzen", sagt Rao. "Der CRCF-Prototyp ist ein wichtiger Schritt in diese Richtung, und wir freuen uns darauf, die Grenzen dessen, was bei der atmosphärischen Wassergewinnung möglich ist, weiter zu verschieben.

Angesichts der sich verschärfenden globalen Wasserkrise werden innovative Lösungen wie das CRCF-Gerät entscheidend dazu beitragen, den Durst in den Trockengebieten der Welt zu stillen. Durch die Nutzung des reichlich vorhandenen Wasserdampfs in der Atmosphäre und die Entkopplung von intermittierenden Energiequellen versprechen diese kraftstoffbetriebenen Erntemaschinen einen zuverlässigen, dezentralen Zugang zu Süßwasser - ein wichtiger Schritt in Richtung einer nachhaltigeren und gerechteren Zukunft.

Hinweis(e)

1. DOI:https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.102115

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