In einem weiteren Schritt in Richtung nachhaltige Energie und Landwirtschaft haben Wissenschaftler ein System entwickelt, das Solarenergie liefert und gleichzeitig Wasser aus der Wüstenluft zur Versorgung von Pflanzen nutzt. Das innovative neue Konzept könnte sich so zu einer kosteneffizienten Strategie für die Versorgung der Menschen in abgelegenen Trockengebieten mit Energie, Wasser und Nahrungsmitteln entwickeln.
Solaranlagen zur Gewinnung von Strom und Wasser
Auch wenn die Wüste trocken erscheint, befindet sich in der Luft eine Menge Wasser, das aufgefangen werden und gezielt für Bewässerung von Pflanzen eingesetzt werden könnte. Die relative Luftfeuchtigkeit kann nachts schließlich bis zu 60 % betragen. Wissenschaftler der King Abdullah University of Science & Technology in Thuwal, Saudi Arabien, zeigen in einer Studie nun, wie sich dieses Wasser mithilfe von Solarmodulen einfangen lässt.
„Ein Teil der Weltbevölkerung hat immer noch keinen Zugang zu sauberem Wasser sowie grünem Strom, und viele von ihnen leben in ländlichen Gebieten mit trockenem Klima“, so Forschungsleiter Peng Wang laut Wissenschaft.de. „Sicherzustellen, dass jeder Mensch auf der Erde Zugang zu sauberem Wasser und erschwinglicher sauberer Energie hat, ist Teil der von den Vereinten Nationen festgelegten Ziele für nachhaltige Entwicklung. Ich hoffe, dass sich unser Design zu einem dezentralen Energie- und Wassersystem entwickeln kann, um Häuser zu beleuchten und Pflanzen zu bewässern.“
Hydrogel sammelt nachts Wasser aus der Luft
Im „Water-Electricity-Crop Co-Productionsystem“ (WEC2P) wird hierfür zum einen die Energie der Sonne mittels Fotovoltaikanlage in Strom verwandelt. Gerade in Wüstenregionen wird diese Stromproduktion aber häufig durch die enorme Hitze, die auf den Oberflächen der Solarzellen entsteht, eingeschränkt. Die saudi-arabischen Entwickler nutzen diese Hitze nun, um zwei Fliegen mit einer Klappe zu schlagen. Durch eine Abführung der Wärme können Sie zum einen, die Produktionsfähigkeit der Solarmodule erhöhen und auf der anderen Seite die Abwärme nutzen, um an das Wasser in der Luft zu kommen. Hierfür kommt ein sogenanntes Hydrogel zum Einsatz, dass in den Solaranlagen verarbeitet ist. Nachts sammelt dieses Gel Wasser aus der Luft, wenn die Luftfeuchtigkeit dies zulässt und später kann es abgezapft werden.
Das Gel selbst, eine Eigenentwicklung der Forscher, ist mit Calciumchlorid angereichert. Dieser Stoff ist extrem reaktionsfreudig mit Wasser und so imstande, eine außerordentliche Menge an Wasser aufzunehmen. Aus dem harten Salz wird so das besagte Gel. Mittels Polymer kann die Form des Materials beibehalten werden. Wenn es dann erhitzt wird, entweicht normaler Wasserdampf, der dann kondensiert und eingefangen werden kann. Hierfür kommt eine Metallbox zum Einsatz, die den Dampf und die entstehenden Wassertropfen nach und nach in ein Sammelgefäß fließen lässt. Dabei ist ein wesentlicher Vorteil, dass das Hydrogel völlig ungiftig ist und somit sauberes Wasser produziert.
Erste Erfolge mit Prototyp
Eine erste Version eines solchen wasserproduzierenden Solarmoduls haben die Wissenschaftler bereits auf die Beine gestellt. Es misst bislang lediglich 60 cm in der Länge und 30 cm in der Breite, jedoch konnten die Forscher bereits erste Erfolge vorweisen. In einer kleinen Box konnten sie somit zwei Wochen lang 60 Wasserspinat-Pflanzen aufziehen. Das Gerät produzierte in dieser Zeit rund 2 Liter Wasser, genug um die Pflanzen zu versorgen.
Das Wasser des Hydrogels kann laut Forschern auch gezielt alternativ eingesetzt werden, um die Solarpaneele abzukühlen. Hierfür lässt man den Kondensationsbehälter tagsüber offen, sodass eine erhöhte lokale Luftfeuchtigkeit für mehr Transpiration sorgt. 17° Celsius weniger maßen die Wissenschaftler in ihrem Test bei einer derartigen Nutzung, was die Effizienz der Solarmodule deutlich erhöhte. Um bis zu 10 % mehr Strom konnte so produziert werden.
Nun soll in weiteren Versuchen und Anpassungen die Aufnahmefähigkeit des Gels noch weiter erhöht werden. Dies soll den Weg zu einer realen Anwendung ebnen.
Quelle: Cell Press, Cell Reports Physical Science, doi: 10.1016/j.xcrp.2022.100781
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