Solarentsalzung ohne Salzlauge: Forscher aus Rochester

Entsalzungsanlagen produzieren weltweit täglich fast 100 Millionen Kubikmeter Trinkwasser, doch für jeden Liter Süßwasser entsteht typischerweise anderthalb bis zwei Liter toxischer Salzlauge, die Meeresökosysteme schädigt. Forscher der Universität Rochester haben ein Verfahren entwickelt, das diese Abfallbilanz auf null setzt: Sonnenenergie destilliert Meerwasser ohne flüssige Rückstände, das Salz fällt als Feststoff an und kann gesammelt werden. Die Studie erschien im Fachjournal Light: Science and Applications.

Warum die Salzlauge das eigentliche Problem ist

Rund 2,2 Milliarden Menschen hatten 2022 keinen Zugang zu sicherem Trinkwasser, laut dem gemeinsamen Bericht von WHO und UNICEF. In wasserarmen Küstengebieten gilt Meerwasserentsalzung als logische Lösung. Das globale Hauptverfahren ist Umkehrosmose (Reverse Osmosis): Meerwasser wird unter hohem Druck durch eine halbdurchlässige Membran gepresst, typischerweise mit 3 bis 10 Kilowattstunden Energiebedarf pro Kubikmeter Süßwasser. Das Nebenprodukt ist hoch konzentrierte Salzlauge mit oft dem Doppelten der ursprünglichen Meerwasser-Salzkonzentration.

Diese Sole wird überwiegend direkt ins Meer zurückgeleitet. Die Folgen sind messbar: Erhöhte Salzkonzentration tötet benthische Organismen, senkt den Sauerstoffgehalt am Meeresgrund und belastet Korallenriffe in der Nähe von Ableitungspunkten. Für Binnenregionen, die Salzwasser-Aquifere oder Brackwasser nutzen wollen, ist das Entsorgungsproblem noch akuter, weil kein Meer für die Ableitung vorhanden ist.

Was Rochester entwickelt hat und wie die Physik funktioniert

Forschungsleiter Professor Chunlei Guo vom Laboratory for Laser Energetics der Universität Rochester nutzte Femtosekundenlaserpulse, um Metalloberflächen auf Nanoebene zu strukturieren. Die entstehenden Mikrostrukturen verleihen dem Metall zwei Eigenschaften gleichzeitig: nahezu vollständige Lichtabsorption (die Oberfläche erscheint tiefschwarz) und Superwicking, also die Fähigkeit, Flüssigkeit durch Kapillarwirkung mit außergewöhnlicher Kraft zu ziehen und zu verteilen.

Das Panel ist in zwei Zonen unterteilt. In der aktiven Zone wird ein dünner Wasserfilm über die heiße Oberfläche gezogen, verdampft durch die absorbierte Sonnenenergie und kondensiert auf einer kühleren Fläche als Süßwasser. Die passive Außenzone funktioniert nach dem Prinzip des Kaffeefleckeffekts: Wenn Wasser an einem Punkt trocknet, zieht Kapillarwirkung die gelösten Partikel zur Peripherie. Die gelösten Salze wandern in die passive Zone und kristallisieren dort aus, statt sich in der aktiven Zone anzusammeln und die Oberfläche zu verstopfen. Das Ergebnis: Weder Salzlauge noch chemische Vorbehandlung. Das Salz liegt als Feststoff vor und kann abgetragen und gesammelt werden.

Guo und sein Team zeigten in Laborversuchen, dass das Verfahren zusätzlich selektiv Lithium und andere wertvolle Mineralien aus der Sole extrahieren kann. Da Lithium für Batterien gebraucht wird und globale Nachfrage wächst, könnte das Salz selbst einen wirtschaftlichen Wert haben, der die Betriebskosten der Anlage mitfinanziert.

Wie andere Ansätze bisher mit dem Brineproblem umgehen

Das Verstopfungs- und Brineproblem ist in der Entsalzungsforschung seit Jahrzehnten bekannt. Mehrere Ansätze wurden verfolgt, ohne das grundlegende Problem zu lösen.

Konventionelle Solardestillation ist so alt wie die Menschheit: Folie oder Glas über Salzwasser, Verdampfung durch Sonnenwärme, Kondensat tropft in ein Auffanggefäß. Die Methode erzeugt tatsächlich kein Salzwasser-Abwasser, liefert aber nur wenige Liter täglich pro Quadratmeter und verstopft durch Salzablagerungen schnell. Genau diesen Verstopfungsmechanismus durchbricht die Rochester-Methode durch das Kaffeefleckprinzip in der passiven Zone.

Lenan Zhang vom Massachusetts Institute of Technology veröffentlichte 2021 in Energy & Environmental Science eine Methode mit schwimmenden Solarabsorbern auf Salzwasser, die passive Salzverteilung nutzt. Das System erreichte höhere Volumina als konventionelle Solardestillation, erzeugte aber noch Salzlauge. Die Rochester-Methode ist laut Recherche der Universität der erste in einem Peer-Review-Journal dokumentierte Labornachweis einer vollständig flüssigabfallfreien Solardestillation.

Kommerzielle Null-Flüssigabfall-Systeme (Zero Liquid Discharge) gibt es bereits, etwa in der Industrieentsalzung in Saudi-Arabien. Sie nutzen kombinierte Membran- und thermische Kristallisationstechniken und sind deutlich teurer als Standard-Umkehrosmose. Der Rochester-Ansatz arbeitet rein solar-thermisch, ohne externe Energie.

Damit der Ansatz aus dem Labor in die Welt kommt

Drei Bedingungen müssen erfüllt sein, bevor das Verfahren praktische Relevanz gewinnt.

Skalierbarkeit vom Laborpanel zur Feldanlage: Die Demonstration arbeitet im Bereich weniger Quadratdezimeter. Größere Panels müssen bei Wind, wechselnder Sonneneinstrahlung und wechselndem Salzgehalt funktionieren. Guo hat laut Universität Rochester Patente für modulare Designs eingereicht. Details zu Prototypen außerhalb des Labors sind nicht publiziert.

Langzeitstabilität der Laseroberfläche: Ob die Femtosekunden-Laserstruktur nach Monaten im Salzwassereinsatz ihre Superwicking-Eigenschaften behält oder durch Korrosion oder Salzablagerungen verändert wird, ist in der Publikation nicht untersucht. RO-Membranen müssen alle 3 bis 5 Jahre ausgetauscht werden. Ein analoges Lebensdauerproblem für die strukturierten Metallpanels wäre wirtschaftlich entscheidend.

Volumeneffizienz gegenüber konventioneller Solardestillation: Das entscheidende Vergleichsmaß ist nicht der Vergleich mit Umkehrosmose (die externe Energie nutzt), sondern mit bestehender Solardestillation bei gleicher Fläche und gleicher Sonneneinstrahlung. Eine quantifizierte Effizienzangabe liefert die Publikation nicht. Chunlei Guos Gruppe forscht seit Jahren an laserinduzierten Metallstrukturen für hydrophobe und hydrophile Oberflächen sowie Antieis-Beschichtungen. Die Entsalzungsanwendung ist eine direkte Weiterentwicklung dieser Grundlagenarbeit in Richtung angewandter Technologie. Die nächsten Schritte kündigt das Team an, ohne Zeitrahmen zu nennen.