Wasser-Ernte in der Wüste

Wassergewinnung aus Luft und Abgasen soll US-Truppen von externer Versorgung unabhängiger machen

Der Wasserdurst der US-Invasionstruppen im Nahen und Mittleren Osten hat sich zu einem handfesten logistischen Problem ausgeweitet. Um eine Dehydratation des Körpers zu vermeiden, werden - je nach klimatischen Bedingungen - bis zu 13 Liter täglich veranschlagt. Kommt noch der Bedarf für persönliche Hygiene, Kochen im Gelände und medizinische Notversorgung hinzu, müssen pro Tag und pro Soldat 25 Kilogramm Wasser herangeschafft werden. Wasser macht ca. 40% des täglichen Transportaufkommens ins Kriegsgebiet aus. Eine Wassergewinnung vor Ort - besonders in Wüstengegenden - erscheint den Strategen deshalb wünschenswert.

Nanopore-Projekt

Wie Wired berichtet, hat die DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) zu diesem Zweck das "Water Harvesting"-Programm aufgelegt, das in seiner Intention geradezu biblisch anmutet. Bei diesem Vorhaben klopft man aber nicht gegen Felsen wie seinerzeit Moses im Auftrag Gottes. Mit Niedrigenergie-Systemen soll Wasser vielmehr direkt aus der Luft gewonnen werden. Bisher genutzte Wasserkondensatoren wie die Oasis Water Machine HydrAir 2000 der Oasis Corporation, Columbia, Ohio, sind mit einer Ausbeute von 31 Litern pro Tag (bei 50% relativer Luftfeuchtigkeit und 20 Grad Celsius) zu energieintensiv; für einen Liter benötigt man ca. 650 Wattstunden. Bei relativen Luftfeuchtigkeiten unter 30% sind sie nicht mehr zweckmäßig.

Ein Projekt im Auftrag der DARPA von NanoPore, Albuquerque, New Mexico, nutzt den sogenannten Electrowetting-Effekt, bei dem im wesentlichen das Benetzungsverhalten eines Tröpfchens in Kontakt mit einer isolierten Elektrode mittels Änderungen eines anliegenden elektrisches Feldes verändert werden kann. Das verwendete nanoporöse Material aus Siliziumdioxid bildet ein stark verzweigtes, dreidimensionales Netzwerk von Primärpartikeln (2-20 Nanometer), die sich zu größeren Partikeln zusammenlagern. Elektroden und Nanopartikel sind in Schichten angeordnet.

NanoPore-Projekt zur Wasseradsorption mittels elektrisch gesteuerter Benetzung

Liegt eine Spannung an den Elektroden an, wird das Sorptionsbett hydrophil - es adsorbiert Wasser. Wird die Spannung abgeschaltet, geht das nunmehr hydrophobe Sorptionsbett in den Desorptionsmodus über und das aufgefangene Wasser wird an einen Kondensator abgegeben. Die Sorptionsbetten rotieren; je zwei befinden sich im Adsorptionsmodus und zwei im Desorptionsmodus. Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 30% (20 Grad Celsius) werden 1.5 Liter pro Stunde erhalten (Energiebedarf: 75 Wattstunden pro Liter).

Ein anderes Projekt von Sciperio, Stillwater, Oklahoma, verwendet ein stark hygroskopisches Lithiumchlorid/ Lithiumbromid-Gemisch. Streicht Luft darüber hinweg, wird der darin enthaltene Wasserdampf so lange entzogen, bis sich ein Gleichgewicht zwischen Salzgemisch, sich bildender gesättigter Lösung und Wassergehalt der Luft einstellt. Das Lithiumchlorid/ Lithiumbromid-Gemisch "zerfließt" zu einer hochkonzentrierten Lösung.

Das Ergebnis ist eine selbst für die prächtigste Landsknechtsfigur untrinkbare, brackig anmutende Flüssigkeit. Deshalb wird eine Filtrationsstufe nachgeschaltet, die nach dem Prinzip der umgekehrten Osmose arbeitet - wie bei der Meerwasserentsalzung oder bei der Aufbereitung von Brackwasser. Die konzentrierte Salzlösung wird unter Druck durch eine halbdurchlässige Membran gepresst, die das Salz zurückhält und das Wasser passieren lässt. Normalerweise muss dieser Zyklus mehrmals wiederholt werden, um zu einem trinkbaren Produkt zu kommen. Um das Ganze energetisch günstig zu gestalten, wurde die Firma Spectra Watermachines mit ihrer Pumpentechnologie ins Boot geholt.

Arbeitsprinzip der Spectra Clark-Pumpe

Die Spectra Clark-Pumpe nutzt die verbleibende hochkonzentrierte Salzlösung ("Brine") zum erneuten Druckaufbau und ermöglicht so eine im Vergleich mit herkömmlichen Pumpen effizientere Arbeitsweise. Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 25% (20 Grad Grad Celsius) werden 6 Liter Wasser am Tag gewonnen (Energiebedarf: kleiner als 150 Wattstunden pro Liter). Sciperio und die anhängigen Forschungspartner erhielten bisher ca. vier Millionen US-Dollar für die Entwicklung. Die Einzelkomponenten sind getestet, mit einer Einführung des Systems ist frühestens ab Beginn 2005 zu rechnen.

Wasser aus Abgasen

Zu diesem Zeitpunkt könnte auch schon ein anderer Wassererzeuger im Einsatz sein. Das U.S. Army Tank Automotive Research, Development and Engineering Center (TARDEC) und DARPA entwickeln gemeinsam mit LexCarb, Lexington, Kentucky, ein Verfahren, um Trinkwasser aus - was liegt näher - KfZ-Abgasen zu gewinnen. Schlie?lich entsteht bei der Verbrennung von einem Liter Diesel rund ein Liter Wasser.

Test-Hummer mit Wasserausschank

Bei diesem 2,5-Millionen-US-Dollar-Projekt wird das Wasser zuerst aus den Abgasen herauskondensiert, anschließend gereinigt und außerdem mit einem Gemisch aus Oxidationsmitteln (MIOX) gechlort. Das Kondensat ist stark mit Schwefel- und Stickoxiden angereichert, die das Wasser sehr sauer machen. Die Wasseranalysen identifizierten außerdem Rußpartikel, polare und unpolare organische Verbindungen sowie verschiedene Metalle in signifikanten Konzentrationen. In einer ersten Filterstufe mit aktiviertem Kohlefaser-Monolith (ACF) und Ionenaustauscherharzen werden die dispergierten Rußteilchen und eine Anzahl organischer Verbindungen entfernt. Das Ionenaustauscher-Material drückt den Gehalt an anorganischen Verbindungen unter Trinkwasserstandards. Da es auch polare organische Verbindungen entfernt, wird auch der Gesamtgehalt an organischen Verbindungen weiter abgesenkt. Au?erdem nutzt man zusätzlich granularen aktivierten Kohlenstoff (GAC) als Filtermaterial.

Mittlerweile erfüllt das erhaltene Wasser Trinkwasserstandards. Das Filtersystem muss nach jeweils 550 Litern erzeugtem Wasser ausgewechselt werden. Die LexCarb On-board Water Recovery Unit besteht aus Gegenstrom-Wärmeaustauscher, Pumpen und Kühler/ Entnebler-Einheit, die auf der Ladefläche eines HMMWV (High Mobility Multipurpose Wheeled Vehicle) angeordnet sind. Sie passt in den Radkasten des Hummer-Gefährts und soll einen Wirkungsgrad von 50-60% haben. In einer Stunde können drei bis vier Liter Wasser gewonnen werden.

95 Liter Tankinhalt an Diesel (HMMWV M998 Truck) ergeben zwischen 47 und 57 Litern Wasser - je nach Betriebsbedingungen. Soll damit der Tagesbedarf bestritten werden, können Fahrer und Beifahrer also noch einen oder zwei Mitstreiter zum Wassertrinken einladen. Ein exorbitanter Treibstoffverbrauch des Wasser produzierenden Fahrzeugs ist bei dieser Art der Wasserversorgung geradezu Pflicht. Geschätzter Kostenpunkt des Wassererzeugers: rund 25000 US-Dollar. Vorläufig sollen drei Prototypen in den Irak entsandt werden. Später sollen auch andere Fahrzeugtypen mit dem System ausgestattet werden. Ein weiterer Prototyp wird für das Future Combat System gebaut (Pentagon will weiter aufrüsten).

Die Wassergewinnung- und Reinigung wird mehr und mehr zu einer strategischen Schlüsseltechnologie, nicht nur für das Militär. Weitere Projekte werden folgen. Sciperio kündigen auf ihrer Webpage jedenfalls schon mal das NanoRain-System an, das die Extraktion von Wasser aus Luft durch Kombination moderner Möglichkeiten von nanoporösen Materialien, Elektrochemie, Elektronik, Adsorption sowie ausgeklügeltem Masse-und Wärmetransfer über einen sehr weiten Bereich von Betriebsbedingungen möglich machen soll.

http://www.heise.de/tp/artikel/18/18425/1.html