Sechs innovative Lebensretter
© IStock
August 2022

Sechs innovative Lebensretter

Von Björn Carstens
Knapp acht Milliarden Menschen bevölkern die Erde, fast vier Milliarden davon leben ohne sichere Trinkwasserversorgung. Ein Megaproblem, das durch die Erderwärmung weiter verstärkt wird. Weltweit entwickeln Forschende neue Technologien, Trinkwasserquellen anzuzapfen. "tomorrow" stellt einige davon vor.
Luft, die man trinken kann

Luft ist nicht nichts. Neben Stickstoff, Sauerstoff und anderen Gasen ist ein essenzieller Bestandteil Wasser in Form von Wasserdampf. Wieviel davon in der Luft vorhanden ist, unterliegt großen Schwankungen. Im Mittel beträgt der Wasserdampfgehalt in der Troposphäre – der untersten Schicht der Erdatmosphäre – rund 1,4 Prozent. Die Tropen mit etwa drei Prozent Wasserdampfgehalt in der Umgebungsluft sowie die Pole mit nur etwa 0,1 Prozent bilden die beiden Extreme. Auf der Suche nach neuen Trinkwasserquellen verfolgen Forschende nun unterschiedliche Strategien, diese (unsichtbare) Feuchtigkeit zu nutzen.

„Die Atmosphäre enthält mehr Wasser als alle Flüsse auf der Erde zusammen. Selbst die trockenste Wüstenluft enthält noch Luftfeuchtigkeit, nachts oft bis zu 40 Prozent.“

David Hertz, Architekt und Erfinder aus Kalifornien
1. Hydrogel

So funktioniert’s: Wissenschaftler der University of Texas haben ein Gel entwickelt, das selbst trockener Wüstenluft noch Trinkwasser entziehen kann. Der Clou ist eine thermoresponsive Zellulose – also ein Material, dessen Eigenschaften sich je nach Temperaturen verändern. In den kühlen Nächten kann das Material Wasser binden. Beim Aufheizen während des Tages wirkt das Gel wasserabweisend und das eingefangene Wasser wird freigesetzt. Eine unterm Strich besonders energiesparende und simpel anwendbare Methode für jeden Haushalt. Ein Kilogramm des Gels soll nur zwei Euro kosten.

Ausbeute: In Gegenden mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von unter 15 Prozent kann nach Angaben der US-Wissenschaftler ein Kilogramm Gel der Luft etwa sechs Liter Wasser pro Tag entziehen. Bei einer Luftfeuchtigkeit von bis zu 30 Prozent sind es schon bis zu 13 Liter Wasser täglich. Durch weitere Optimierung und dickere Gelschichten lässt sich die Wassermenge laut der Forschergruppe deutlich erhöhen.

Sechs innovative Lebensretter
Superabsorbierendes Gel, das Wasser aus Wüstenluft extrahieren kann© University of Texas at Austin / Cockrell School of Engineering
2. Kondensationsbox

So funktioniert’s: Die Skywater-Box des kalifornischen Tüftlers David Hertz nutzt das Prinzip der Kondensation: Wenn heiße Luft auf kalte Oberflächen trifft, verflüssigt sich Wasserdampf. Die Luft wird entweder mit Solarenergie oder Bioabfällen erhitzt. „Wir produzieren ein tropisches Klima in einem Kasten“, erklärt Hertz seine Erfindung. So simpel wie genial: Der Prozess ermöglicht die Wassergewinnung auch unter sehr trockenen Bedingungen. Das gesammelte Kondenswasser wird anschließend gefiltert und gereinigt.

Ausbeute: David Hertz hat gezeigt, dass er mit seinen Boxen – kleinen, ausrangierten Versandcontainern – bis zu 2.000 Liter Wasser innerhalb von 24 Stunden aus der Atmosphäre ziehen kann – und zwar mit 100 Prozent erneuerbaren Energien und zu einem Preis von höchstens zwei Cent pro Liter. Seine Formel: Je mehr Luftfeuchtigkeit und je höher die Temperatur, desto mehr Trinkwasser. „Wir sind sogar CO2-negativ“, sagt Hertz, „wir trennen den Kohlenstoff, sammeln ihn und speichern ihn als Dünger im Boden.“

  • Skywater-Boxen saugen Feuchtigkeit aus der Luft ...
    Skywater-Boxen saugen Feuchtigkeit aus der Luft ... © Skywater
  • ... um sie in Form von Trinkwasser zur Verfügung zu stellen
    ... um sie in Form von Trinkwasser zur Verfügung zu stellen © Skywater
Skywater ist bereits praxiserprobt. Das US-Militär hat die Technik erfolgreich getestet, in Indien trinkt ein ganzes Dorf Hertz‘ „Himmelswasser“
3. Nebelnetze

So funktioniert’s: Vorzugsweise in trockenen Gebirgs- und Küstenregionen mit viel Nebel und Wind werden sogenannte Nebelfänger aufgestellt – das sind senkrecht stehende Netze aus einem Spezialgitter (zum Beispiel Nylon), an dem kleinste Tröpfchen hängenbleiben und sich zu großen Tropfen vereinen. Diese laufen dann ohne Energiezufuhr durch die Schwerkraft nach unten in eine Auffangrinne. Von dort fließt das Nebelwasser durch Leitungen in ein Reservoir. Seit vielen Jahren, teilweise Jahrzehnten wird mithilfe von Nebelnetzen Trinkwasser geerntet. Beispielsweise bietet die „Wasserstiftung“, eine unabhängige Organisation aus München, mit dem sogenannten CloudFisher ein solches Produkt an. Nebelnetze werden zum Beispiel in Bolivien, Peru, Tansania und Marokko eingesetzt. Äthiopien, Chile, Eritrea, Spanien oder Südafrika eignen sich ebenfalls für Nebelfänger.

Ausbeute: Je nach Region und Jahreszeit liegt die tägliche Wasserausbeute zwischen sechs und 22 Liter pro Quadratmeter Netz. Laut der Münchener Rück Stiftung, die Projekte zur Gewinnung von Trinkwasser in armen Regionen fördert, profitieren mittlerweile weltweit Hunderttausende Menschen von den Nebelnetzen. Zudem dienen die Spezialgewebe – ergänzt durch horizontal angebrachte Kunststoffplatten – auch zu Monsunzeiten der Wassergewinnung.

  • Nebelnetze in Bolivien ...
    Nebelnetze in Bolivien ... © WasserStiftung
  • ... und Marokko
    ... und Marokko © WasserStiftung
Die Wasserstiftung hat ihre weltweit größte Anlage von "CloudFishern" im marokkanischen Antiatlas-Gebirge aufgebaut. Mit den Nebelnetzen werden pro Quadratmeter 22 Liter im Jahresdurchschnitt „geerntet“. Das macht bei 31 CloudFishern (1.586 Quadratmeter Netzfläche) 37.092 Liter pro Nebeltag. Damit stehen den 16 Dörfern mit circa 13.000 Bewohnern pro Familienmitglied zwölf Liter Wasser pro Tag zur Verfügung.
  • 6-mal
    mehr Wasser wurde laut den Vereinten Nationen auf der Erde im Jahr 2000 als 1930 verbraucht. Schätzungen zufolge soll der globale Bedarf bis 2050 in ähnlicher Größenordnung weiter steigen.
  • 97 Prozent
    der Wasservorräte auf der Erde sind salzhaltig und damit ungenießbar.
  • 7 Liter
    Wasser verbraucht ein tropfender Wasserhahn täglich. Ein Wasserhahn, der pro Minute 20 Tropfen verliert, vergeudet pro Jahr 5.000 Liter.
Trinkwasser aus dem Meer

Die Weltbevölkerung wächst und damit auch ihr Durst. Die Lösung des Problems, so scheint es, liegt auf der Hand: Der Blaue Planet Erde ist zu 70 Prozent von Wasser bedeckt. Gelänge es, diese gigantischen Vorräte anzuzapfen, wäre das Wasserproblem der Menschheit auf einen Schlag gelöst. Oder etwa nicht? Fakt ist: Von klassischen Meerwasserentsalzungsanlagen hängen weltweit bereits Hunderte Millionen Menschen ab. Forschende arbeiten derweil an rentableren, nachhaltigeren und individuell einsetzbaren Methoden, wie man das Salz noch aus dem Wasser bekommt.

4. Trinkwasser per Knopfdruck

So funktioniert's: Salzwasser in Trinkwasser umzuwandeln ist kein Hexenwerk. Das gilt allerdings bislang nicht für Privatpersonen, denn dafür bräuchte man spezielle Filter in Kombination mit leistungsstarken Hochdruckpumpen. Viel zu aufwendig für Otto-Normalverbraucher. Hier setzte ein Forschungsteam des namhaften Massachusetts Institute of Technology (MIT) an, das einen idiotensicheren Koffer entwickelt haben will, um aus Salz- Trinkwasser herzustellen – alles ohne Filter, dafür mit elektrischer Energie und via Knopfdruck. Ober- und unterhalb eines Wasserkanals wird entlang von Membranen ein elektrisches Feld angelegt. Positiv und negativ geladene Teilchen werden so beim Vorbeifließen von den Membranen abgestoßen und „herausgefiltert“. Neben den Salzmolekülen betrifft dies auch andere unliebsame Bestandteile wie Viren und Bakterien. Am MIT nennen sie die spezielle Technik „Ionenkonzentrationspolarisation“. In einem zweiten Schritt findet eine sogenannte „Elektrodialyse“ statt. Diese entfernt auch die letzten Salzionen aus der Flüssigkeit.

Ausbeute: Die Forschenden versprechen sich trinkbares Wasser, das eine noch höhere Qualität aufweist, als von der Weltgesundheitsorganisation WHO empfohlen. Laut MIT soll dies in der Praxis nur eine knappe halbe Stunde dauern.

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Der Koffer zur Trinkwassergewinnung wiegt weniger als zehn Kilogramm© MIT
5. Wüstentreibhäuser

So funktioniert’s: In Treibhäusern gedeihen in den Niederlanden Gemüsesorten, für die es dort eigentlich zu kalt ist. In der Wüste dreht die norwegische NGO „Sahara Forest Project“ dieses Prinzip um, um dort klimafreundlich Lebensmittel zu produzieren, wo es für den Anbau eigentlich zu heiß und zu trocken ist. Ihre Idee: Salzwasser wird in die Sahara gepumpt, das in Gewächshäusern verdampft, dort Wärme aufnimmt und die Treibhäuser so kühlt. Am Ende soll, quasi als Nebenprodukt, sauberes Süßwasser herausspringen, da der Dampf an den Wänden kondensiert, abgeleitet und nach einer weiteren Aufbereitung zu Trinkwasser wird. Die notwendige Energie kommt aus Solaranlagen. Das Projekt machte bereits 2008 erste Gehversuche, inzwischen gibt es Pilotprojekte in Katar und Jordanien.

Ausbeute: In einer ersten Projektphase, in der sich die Plantagen über drei Hektar erstreckten, kamen täglich 10.000 Liter Süßwasser durch Entsalzung mittels Solarenergie zusammen.

  • Kühlende Gewächshäuser, ...
    Kühlende Gewächshäuser, ... © Anders Nyobe / Sahara Forest Project
  • ... die Süßwasser produzieren
    ... die Süßwasser produzieren © Anders Nyobe / Sahara Forest Project
Beim Sahara Forest Project werden Wüsten, Salzwasser und CO2 genutzt, um Nahrungsmittel, Wasser und saubere Energie zu produzieren
6. Trinkwasser aus dem Meeresboden

So funktioniert’s: Eine globale Bestandsaufnahme des GEOMAR Helmholtz-Zentrums für Ozeanforschung in Kiel ergab, dass sich rund um den Globus riesige Frischwasserreserven offshore im Grundwasser verstecken, im Englischen „Offshore Freshened Groundwater“ (OFG) genannt. Die Gretchenfrage: Können wir all diese Reservoirs auch als Trinkwasserquellen nutzen? Noch konnten die Wissenschaftler nicht abschließend klären, welche Kalkgesteine, die das Grundwasser in einer Tiefe von bis zu 400 Meter wie ein Schwamm speichern, bereits mit dem Land verbunden sind, also welche wir schon längst angezapft haben und welche nicht. Dr. Aaron Micallef vom GEOMAR ist derweil optimistisch: „Unsere Ergebnisse sind ermutigend, weil wir OFG in sehr unterschiedlichen geologischen Umgebungen kartieren und detaillierte Kenntnisse darüber gewinnen konnten, wie es abgelagert wurde.“ Die Studie zeige aber auch Lücken im Verständnis von OFG auf, wie zum Beispiel den genauen Zeitpunkt der jeweiligen Entstehung und ob die Vorkommen derzeit neu befüllt werden. „Diese Informationen sind aber entscheidend, wenn wir OFG als unkonventionelle Wasserquelle beurteilen wollen“, so Micallef.

Ausbeute: Für die Studie wertete das Forschungsteam insgesamt 300 dokumentierte Aufzeichnungen von OFG aus. Es schätzt das globale Volumen dieser Vorkommen auf eine Million Kubikkilometer. Das ist etwa doppelt so viel wie das Volumen des Schwarzen Meeres und etwa fünf Prozent des geschätzten globalen Grundwasservolumens in den oberen zwei Kilometern der kontinentalen Kruste. Die Vorkommen befinden sich hauptsächlich in Gebieten bis zu 55 Kilometer von den jeweiligen Küsten entfernt und bis zu einer Wassertiefe von 100 Metern.

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Stück eines Carbonatgesteins unter dem Meeresboden, das Grundwasser führen könnte© Tamara Worzewski / MiraMundum
Probleme bei der Trinkwassergewinnung
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Prof. Dr. Steffen Krause ist ein Experte auf dem Gebiet der Trinkwasserversorgung
© Universität der Bundeswehr München

Die vorhandenen Trinkwasserressourcen effizient nutzen – das muss zu einem globalen Nachhaltigkeitsziel werden. „Vor allem im Bereich der Landwirtschaft“, unterstreicht Prof. Dr. Steffen Krause von der Universität der Bundeswehr München. Einer seiner Forschungsschwerpunkte an der Professur für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik ist die Trinkwasserversorgung: „Global werden circa 70 Prozent der Ressourcen, die mal Trinkwasser werden könnten, für die Landwirtschaft genutzt. In dem Bereich muss die Effizienz der Bewässerung gesteigert werden. Wir in Europa importieren virtuell Wasser aus Gegenden der Welt, wo ineffizient bewässert wird und Ressourcen übernutzt werden, beispielsweise für Kakao, Kaffee oder Baumwolle.“

Ein anderer großer Teil der Ressourcen, die eigentlich Trinkwasser sind oder werden könnten, gehe verloren, so Krause, weil Abwasser unbehandelt in Oberflächengewässer eingeleitet werde und auch das Grundwasser belaste. „Wenn schon Oberflächenwasser verdorben wird, weil Textilien gefärbt werden, dann sollten diese nicht als Fast Fashion nur kurz genutzt werden“, mahnt er an. Ähnliches gelte für einen achtsamen Umgang mit Lebensmitteln. „Lebensmittel, die auch einen großen Teil unseres Water Footprints ausmachen, dürfen nicht mehr in dem Umfang wie bisher verdorben oder entsorgt werden“, sagt Krause.

Lösungen wie CloudFishing, Hydrogele oder verschiedene innovative Methoden zur Meerwasserentsalzung (siehe Texte oben) würden daher laut Krause nicht nur dem Menschen bei der Trinkwassergewinnung helfen, sondern der Umwelt insgesamt zugutekommen – allerdings nur, wenn negative Folgeeffekte der Anlagen vermieden werden. So ergab eine UN-Studie 2019, dass weltweit pro Tag 142 Millionen Kubikmeter hochkonzentrierter Salzlauge an die Umwelt abgegeben werden – weit mehr als bisher gedacht. Ein schwerwiegendes Problem: Ein Großteil der Salzlauge wird einfach zurück ins Meer geleitet und bringt das ökologische Gleichgewicht in Schieflage. Krause: „Die Konzentrate aus der Umkehrosmose sind ein tatsächliches Problem. In einigen Regionen des Mittelmeers ist die Anreicherung der Salze durch die Einleitung der Konzentrate schon messbar.“ Krause vermutet, dass die Entsorgung der Konzentrate auch in Deutschland die größte Hürde sei, Anlagen im großen Stil zu bauen. Problematisch sei zudem der hohe Energiebedarf der Entsalzungsanlagen. Zur Einordnung: Heute gängige Osmoseanlagen brauchen rund 7 bis 7,5 Kilowattstunden Strom pro Kubikmeter Süßwasser. Soll hier Ökostrom zum Einsatz kommen, bedarf es entweder eines Energiespeichers, um Dunkelflauten abzufedern, oder großer Wasserspeicher, in denen entsalztes Wasser bevorratet werden kann, wenn gerade Ökostrom im Überfluss produziert wird. Beide Varianten würden die Preise in die Höhe treiben.