Neues solares Entsalzungssystem bietet sauberes Wasser für abgelegene Gebiete

Angesichts der steigenden Sommertemperaturen droht das Gespenst der Wasserknappheit. Als mögliche Lösung zur Erhöhung der Verfügbarkeit von sauberem Trinkwasser haben Forscher am Indian Institute of Science (IISc) ein neuartiges thermisches Entsalzungssystem entwickelt, das mit Solarenergie arbeiten kann.

Die gebräuchlichsten Methoden zur Entsalzung sind die membranbasierte Umkehrosmose und die thermische Entsalzung. Allerdings verbrauchen beide viel Energie.

Bei thermischen Entsalzungssystemen wird Salzwasser erhitzt und anschließend der entstehende Dampf kondensiert, um Süßwasser zu gewinnen. Die für die Verdampfung benötigte Energie wird jedoch in der Regel entweder aus Strom oder durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe gewonnen. Eine umweltfreundliche Alternative ist der Einsatz von Solardestillieranlagen, bei denen mithilfe von Sonnenenergie Salzwasser in großen Reservoirs verdampft und der auf einem transparenten Dach kondensierte Dampf gesammelt wird. Bei der Kondensation bildet sich jedoch eine dünne Wasserschicht auf dem Dach, wodurch die Menge der Sonnenenergie, die in den Speicher eindringen kann, und damit die Effizienz der Anlage verringert wird.

Als Alternative zu solchen Solardestillierapparaten hat das IISc-Team ein neuartiges Design für eine solarbetriebene Entsalzungseinheit entwickelt, die energieeffizienter, kostengünstiger und tragbarer ist und sich daher bequem in Gebieten mit begrenztem Zugang zu kontinuierlicher Elektrizität aufstellen lässt , erklärt Susmita Dash, Assistenzprofessorin am Fachbereich Maschinenbau und korrespondierende Autorin der in Desalination veröffentlichten Studie.

Der von Dash und ihrem Doktoranden Nabajit Deka entworfene Aufbau besteht aus einem Reservoir mit Salzwasser, einem Verdampfer und einem Kondensator, der in einer Isolierkammer eingeschlossen ist, um Wärmeverluste an die Umgebungsluft zu vermeiden.

Ihr System nutzt solarthermische Energie, um eine kleine Menge Wasser zu verdampfen, die in den Verdampfer mit strukturierter Oberfläche aufgenommen oder „gesaugt“ wird. Die Dochtwirkung der Flüssigkeit in den Verdampfer nutzt den Kapillareffekt mikroskaliger Texturen. Durch diesen Effekt können Flüssigkeiten in enge Räume eines porösen Materials gesaugt werden, ähnlich wie Wasser, das von einem Schwamm absorbiert wird. Die Verwendung dieses Ansatzes, anstatt das gesamte Flüssigkeitsvolumen im Reservoir zu erhitzen, führt zu einer deutlichen Verbesserung der Energieeffizienz des Systems, sagt Dash.

Das Team ätzte winzige Rillen in die Oberfläche des Verdampfers, der aus Aluminium besteht. Deka erklärt, dass sie mit verschiedenen Kombinationen aus Rillenabmessungen und -abständen sowie der Oberflächenrauheit experimentieren mussten, um das richtige Muster für eine effiziente Dochtwirkung zu ermitteln.

Der Kondensator – den Forschern zufolge in den meisten Entsalzungsstudien oft übersehen – ist ein weiteres Schlüsselelement des solaren Entsalzungssystems. Um die Bildung eines Wasserfilms während der Kondensation zu verhindern, wie in den Solardestillierapparaten, stellten Dash und Deka einen Kondensator mit abwechselnd hydrophilen und superhydrophilen Oberflächen her. Die auf den hydrophilen Mustern kondensierenden Wassertröpfchen werden in Richtung des superhydrophilen Bereichs gezogen. Diese Affinität des kondensierten Wassers zum superhydrophilen Bereich ermöglicht es, dass die hydrophile Oberfläche für eine neue Ladung Kondensat frei wird, erklärt Dash.

Bei der Kondensation geht ein Teil der Wärme an die Atmosphäre verloren. Die Forscher haben das System so konzipiert, dass diese bei der Kondensation freigesetzte Wärme ebenfalls aufgefangen und zum Erhitzen des aufgenommenen Salzwassers in einem anderen Verdampfer auf der Rückseite des Kondensators genutzt wird, was den Bedarf an Sonnenenergie reduziert und die Effizienz erhöht des Systems noch mehr. Dem Team gelang es auch, mehrere Verdampfer-Kondensator-Kombinationen in Reihe zu schalten, was zu einem mehrstufigen solaren Entsalzungssystem führte. Wenn dieses System auf einer Grundfläche von 1 m2 gebaut wird, kann es alle 30 Minuten einen Liter Trinkwasser produzieren – mindestens doppelt so viel wie ein herkömmlicher Solardestillierapparat derselben Größe.

Neben Meerwasser kann das System auch mit Grundwasser mit gelösten Salzen sowie Brackwasser arbeiten. Es kann an die wechselnden Sonnenstände im Laufe des Tages angepasst werden.

Die Forscher arbeiten derzeit daran, das System zu vergrößern und seine Haltbarkeit zu verbessern sowie die Menge des produzierten Trinkwassers zu erhöhen, damit es für den häuslichen und kommerziellen Gebrauch eingesetzt werden kann.