Gesundheit : Nano macht das Meer süß

Entsalzungsanlagen sind ein probates Mittel gegen Wassermangel. Mit neuen Technologien arbeiten sie effizienter

Juliane Schäuble

Es könnte die Antwort auf eine der größten Herausforderungen der Menschheit sein: Meerwasser in Trinkwasser zu verwandeln, ohne allzu hohen Energieverbrauch. Neue Methoden der Wassergewinnung sind dringend gefragt. Denn laut der Deutschen Stiftung Weltbevölkerung (DSW) haben 1,2 Milliarden Menschen keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser – obwohl der größte Teil der Erdoberfläche aus Wasser besteht.

Doch 98 Prozent der 1400 Millionen Kubikmeter Wasser auf der Erde sind untrinkbares Salzwasser, und die natürlichen Grundwasserreserven werden vielerorts knapp. Zudem wächst die Menschheit rasant: So werden im Jahr 2025 auf der Erde 7,8 Milliarden Menschen leben, prognostiziert die DSW. Aktuell sind es 6,6 Milliarden. Helfen könnten neue Anlagen zur Meerwasserentsalzung, die mit Hilfe der Nanotechnologie Energie und somit Kosten sparen. „Meerwasser gibt es genug und 70 Prozent der Weltbevölkerung lebt nicht weiter als hundert Kilometer entfernt von der Küste“, sagt Claus Mertes vom Industrieverein Deutsche Meerwasserentsalzung (DME).

Weltweit gibt es mehr als 12 000 Entsalzungsanlagen. Sie verringern den Salzgehalt so, dass Meerwasser trinkbar wird. Doch die bisherigen Methoden, die auf Destillation, also die Verdampfung des Wassers, setzen, sind für viele Länder zu teuer. Solche thermischen Anlagen verbrauchen sehr viel Energie und produzieren Unmengen an Sole, also Salzlake, die entsorgt werden muss. Ideal wäre eine Technik, die weniger energieaufwendig ist sowie weniger Abfall produziert.

Die Alternative zur Destillation ist die reverse Osmose oder Umkehrosmose. Hierbei wird das Meerwasser unter hohem Druck durch eine halb durchlässige, also semipermeable, Membran gepresst. Membranen dienen zum Trennen von Stoffgemischen wie Flüssigkeiten, Dämpfen und Gasen. Die Membran, eine Art Plastikfolie, wirkt wie ein ultrafeiner Kaffeefilter und lässt nur bestimmte Atome und Moleküle durch. Salz, Bakterien, Viren, Kalk und Gifte, die viel größer sind als ein Wassermolekül, werden zurückgehalten.

Doch auch bei dieser Technik ist der benötigte Druck, 70 bis 80 Bar, noch erheblich. Das verbraucht viel Energie – im Durchschnitt ungefähr vier Kilowattstunden pro tausend Liter Trinkwasser. Außerdem halten die heutigen Membranen höchstens sechs Jahre, dann müssen sie ausgetauscht werden. „Die eigentliche Membran ist nur ein Zehntel Mikrometer (tausendstel Millimeter) dünn“, erklärt Klaus-Viktor Peinemann vom GKSS-Forschungszentrum Geesthacht bei Hamburg. „Das ist gerade mal ein Hundertstel eines menschlichen Haares.“ Könnte man diese Membranen verbessern, so hofft Peinemann, würde das die Entsalzung viel effizienter machen. Der Materialforscher arbeitet im Rahmen des europäischen Exzellenznetzwerks „Nanomempro“ an einer neuen Generation von Membranfolien.

Bei seinen Berechnungen stützt er sich auf Grundlagenforschung, wie die des Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien. Einem Team um Olgica Bakajin gelang es dort, Membranen mit Nanoröhrchen aus Kohlenstoff zu entwickeln. Das berichteten die Wissenschaftler kürzlich im Fachmagazin „Science“ (Band 312, Seite 1034-1037). Die mikroskopisch kleinen, röhrenförmigen Gebilde aus Kunststoff könnten, so glauben die Forscher, die Entsalzung um bis zu 75 Prozent günstiger machen – verglichen mit herkömmlichen Verfahren der Umkehrosmose.

Milliarden Nanoröhrchen, die 50 000 Mal dünner als ein menschliches Haar sind, wurden in dem Membranmaterial so eng in mehreren Lagen aufgerollt, dass jeweils nur sechs Wassermoleküle hindurch passen. Die Nanoröhrchen funktionieren dabei als Membranporen, die Lücken dazwischen wurden mit Silikon aufgefüllt. Da die Poren so klein sind, können Wasser- und Salzmoleküle gut voneinander getrennt werden.

Interessant war bei den Versuchen vor allem ein Phänomen: Das Wasser fließe 100 bis 10 000 Mal schneller durch, als klassische Modelle prophezeiten, sagt Olgica Bakajin, die die Forschungsgruppe leitet. Bislang sei man davon ausgegangen, dass die Durchflussgeschwindigkeit um so mehr sinke, je kleiner der Durchmesser der Poren ist. Bei ihren Versuchen steige dagegen mit schrumpfender Porengröße die Geschwindigkeit stark an. „Das ist, als ob ein dünner Gartenschlauch genauso viel Wasser transportiert wie ein dicker Feuerwehrschlauch“, sagt Bakajin.

Den Grund vermuten die Wissenschaftler in der besonderen Glätte der Röhrchen. Hier seien weitere Forschungen nötig. Fest steht, dass solche Membranen viel mehr Wasser durchlassen als herkömmliche und so weniger Druck benötigen. Bislang gilt als Nachteil der Membrantechnik, dass sie langsam sei.

An diese Erkenntnisse knüpft GKSS- Forscher Peinemann große Hoffnungen. Könne man nanotechnologisch perforierte Membranen in großem Stil herstellen, sei das „ein ganz großer Durchbruch für die Entsalzung mit Membrantechnik“. Zwar beruht die Zuversicht der Geesthachter Wissenschaftler bisher nur auf Berechnungen. Aber sie kaufen derzeit schon die winzigen Röhrchen – von verschiedenen Firmen weltweit.

Drei Hürden sind laut Peinemann zu nehmen: „Als Erstes müssen die Nanoröhrchen in den Membranen parallel ausgerichtet sein, senkrecht zu deren Oberfläche.“ Da sie so klein sind, seien sie schwierig zu handhaben. Dann müssten Polymere in die Zwischenräume eingefügt werden, aus Silikon oder Polyamid. „Als Letztes müssen die Nanoröhrchen geöffnet, also ihre Spitzen abgeschnitten werden, damit das Wasser durchfließen kann“, sagt Peinemann. Der Forscher ist optimistisch: In zwei bis drei Jahren könnten „im Labormaßstab“ solche kleinen Membranfilter entstanden sein. Übernähmen dann Firmen die weitere Produktion, könnten die neuen Membranen in rund sechs Jahren zum Einsatz kommen.

DME-Chef Mertes ist sich sicher, dass die Umkehrosmose mit Membranen Zukunft hat: „Zwei Faktoren sprechen für die Technik: Anders als bei thermischen Anlagen, die für die Dampferzeugung ein Kraftwerk brauchen, reicht für die Membrantechnik eine Steckdose.“ Strom und Wasser reiche aus, daher sei sie ortsunhabhängiger. Außerdem seien die Gesamtkosten schon mit den heutigen Membranen niedriger. In zehn bis fünfzehn Jahren würden achtzig Prozent des weltweit entsalzten Wassers aus der Umkehrosmose stammen. „Das ist ein riesiger Wachstumsmarkt“, sagt Mertes. „Bis 2015 werden hier rund 80 Milliarden Euro investiert.“

Es gibt noch einen Grund, die Forschung voranzutreiben: Die Membrantechnik könnte auch zur Gastrennung benutzt werden, um kostengünstig Kohlendioxid in Kraftwerken aufzufangen – und so die Vision umweltfreundlicher Stromerzeugung Wirklichkeit werden lassen.

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