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Quelle: Carnegie Mellon University
Forscher haben ein neues Entsalzungssystem entwickelt, mit dem sich dank einem Nano-basierten Membranmaterial Wasser aus dem Meer deutlich kostengünstiger zu Trinkwasser aufbereiten lässt als mit herkömmlichen Verfahren. Die Technologie könnte beispielsweise in Gebieten der Vereinigten Staaten mit hohem Bevölkerungswachstum genutzt werden, in denen es zu wenig Trinkwasserquellen gibt - oder weltweit in Regionen, in denen verschmutztes Wasser eine große Gesundheitsgefahr darstellt.
Das neue Membranmaterial wurde von Wissenschaftlern am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) entwickelt ("Science", Ausgabe vom 19. Mai). Die Forscher glauben, dass es die Kosten der Entsalzung im Vergleich zum bisherigen Standardverfahren, der Umkehrosmose, um bis zu 75 Prozent reduzieren könnte. Die LLNL-Technik kann Salzwasser auf Molekülebene mit Hilfe elektrostatischer Kräfte vom Salz befreien. Dabei wird dessen Molekülgröße genutzt. Mit dem Membranmaterial ließen sich später einmal auch Gase trennen, um beispielsweise Kohlendioxid in der Kraftwerksabluft aufzufangen - auch dies soll kostengünstig möglich sein.
Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind in dem Membranmaterial derart eng in Lagen aufgerollt, dass jeweils nur sieben Wassermoleküle durch sie hindurch passen. Diese geringe Größe macht das Material ideal zum Separieren von Molekülen. Gleichzeitig ist es dennoch fest genug, um Wasser in ordentlicher Geschwindigkeit durch die Poren laufen zu lassen - es wird also nicht so viel Druck benötigt, wie bei bisherigen Umkehrosmose-Verfahren, was wiederum Kosten spart.
Die Durchflussgeschwindigkeit liegt 10.000 Mal über dem, was man klassischer Weise errechnen würde: Normalerweise heißt es, dass sie nahezu auf Null sinkt, je kleiner der Umfang der Poren ist. "Das widerspricht allen bisherigen Erfahrungen", meint LLNL-Chemieingenieur Jason Holt. "Beim Schrumpfen der Porengröße steigt die Durchflussgeschwindigkeit bei uns deutlich."
Das überraschende Ergebnis ließe sich entweder durch das besonders glatte Innenleben der Nanoröhrchen erklären oder durch die Physik im Nanoraum - hier bedarf es allerdings noch weiterer Forschung. "In bestimmten physikalischen Systemen mit geringen Größen gelten die bestehenden Theorien nicht mehr", meint Rod Ruoff, Professor für Maschinenbau an der Northwestern University.
Um das Membranmaterial herzustellen, nutzen die Forscher derzeit einen Siliziumwafer von der Größe einer Vierteldollar-Münze, der mit Metall-Nanopartikeln überzogen ist, um das Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Wachstum anzuregen. Diese kleinen Metallpartikel ließen die Nanoröhrchen laut Holt ähnlich wie Grashalme wachsen - vertikal ausgerichtet und eng nebeneinander liegend. Sind die Nanoröhrchen fertig, werden die Lücken zwischen ihnen mit dem Keramik-Material Siliziumnitrid aufgefüllt, das die Stabilität sicherstellt und die Membran mit dem SIliziumwafer verklebt. Das Nanoröhrchen-Feld arbeitet dann als eine Art Ansammlung von Poren, durch die Wasser und bestimmte Gase durchgelassen werden, nicht aber größere Moleküle oder Molekülcluster.
Holt glaubt, dass sein Membranmaterial in den nächsten fünf bis zehn Jahren auf den Markt gebracht werden könnte: "Die Herausforderung bleibt, den Produktionsprozess soweit hoch zu skalieren, dass wir nutzbare Mengen herstellen können. Nur dann lässt sich das Membranmaterial für Entsalzung, Gasseparation oder andere High-Impact-Anwendungen nutzen." Der Herstellungsprozess sei aber durchaus skalierbar.
In den nächsten Jahren könnte die Technik dann für zahlreiche weitere Anwendungsfelder interessant werden - etwa in der Medikamentenherstellung oder der Lebensmittelindustrie, wo sich etwa Zucker trennen ließen. "Der nächste praktische Schritt liegt nun darin, herauszufinden, wie wir unser Grundkonzept für bestimmte Anwendungen modifizieren müssen", meint LLNL-Physikerin Olgica Bakajin, die Co-Autorin der Studie war.
"Ich kann mir viele Forschungsarbeiten vorstellen, die auf dieser Studie aufbauen könnten", meint Northwestern-Professor Ruoff. "Solche Experimente helfen bei unserem weiteren Verständnis molekularer Prozesse. Es gibt sehr interessante Möglichkeiten im Bereich der Nanoflüssigkeitstechnik." Darunter seien nanoelektromechanische Systeme und "smarte" Umschalter, mit der sich auf Molekularebene Flüssigkeiten separieren ließen.
Übersetzung: Ben Schwan.
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