Photovoltaik raffiniert mit Wassergewinnung kombiniert: Forscher präsentieren ein System, das Solarstrom liefert und durch ein absorbierendes Hydrogel zusätzlich der Wüstenluft Wasser zur Versorgung von Nutzpflanzen abzapfen kann. Aus dem Konzept könnte sich somit eine nachhaltige und kostengünstige Strategie entwickeln, um Menschen in entlegenen Trockenregionen mit Energie, Wasser und Nahrung zu versorgen, sagen die Wissenschaftler.
Die Sonne brennt den ganzen Tag vom Himmel und trocknet alles aus – neben dem Mangel an Stromquellen ist vor allem die Wasserknappheit ein großes Problem in vielen Wüstenregionen. Doch auch dort ist eigentlich massenweise Wasser vorhanden – und zwar in Form von Wasserdampf in der Luft. Vor allem in der Nacht kann die relative Luftfeuchtigkeit auf über 60 Prozent steigen. Diesen Wasserschatz in nutzbare Flüssigkeit zu verwandeln, ist schon lange ein Ziel von Forschern. Das Team um Peng Wang von der saudi-arabischen King Abdullah University of Science & Technology in Thuwal hat dabei bereits vielversprechende Konzepte entwickelt. In ihrer aktuellen Studie verdeutlichen sie nun, dass sich Module für die Gewinnung von Solarstrom in effektiver Weise mit der Nutzung von Luftfeuchtigkeit verbinden lassen.
Ihr neu entwickeltes System nennen sie „Water-Electricity-Crop Co-Productionsystem“ (WEC2P). Es besteht aus einem photovoltaischen Modul, das bei Sonnenbestrahlung Solarstrom liefert. In der Glut der Sonne wird diese Fläche bekanntlich heiß. Dabei handelt es sich auch um einen Faktor, der die Effektivität einschränkt – glühend heiße Solarzellen liefern weniger Strom. Bei ihrem Konzept haben die Forscher die Abwärme des Solarmoduls nun als Energiequelle für die Wassergewinnung genutzt: Sie erhitzt Einheiten eines speziellen Hydrogels, die sich direkt unter der Solarmodul-Fläche befinden. Dadurch gibt das Hydrogel Wasser frei, das es in der Nacht aus der Luftfeuchtigkeit aufgenommen hat.
Strom aus der Sonne – und Wasser aus der Luft
Dieses spezielle Hydrogel haben Wang und sein Team bereits zuvor entwickelt. Es besteht hauptsächlich aus dem preisgünstigen Salz Calciumchlorid. Diese ungiftige Substanz hat eine extrem hohe Affinität gegenüber Wasser: Es kann aus der Umgebungsluft so viel Luftfeuchtigkeit aufnehmen, dass es sich schließlich in eine flüssige Lösung verwandelt. Um es in Form zu halten, haben die Forscher das Salz mit einem Polymer verbunden. Dieses Material kann dadurch große Wassermengen aufnehmen und dennoch fest bleiben – es bildet ein sogenanntes Hydrogel. Anschließend kann es das gespeicherte Wasser dann in der Form von Dampf durch Erhitzen wieder freisetzen. Dieser kann dann kondensieren und gesammelt werden.
Bei der WEC2P-Anlage läuft das Ganze nun folgendermaßen ab: In der kühlen, feuchten Wüstennacht sind die Hydrogel-Einheiten unter dem Solarpanel der Luft ausgesetzt und absorbieren dadurch aus ihr Feuchtigkeit. Am Tag bringt dann der Sonnenschein die Solarzellen zur Stromerzeugung und heizt sie auf. Die Abwärme überträgt sich dabei auf die unterlegten Hydrogel-Einheiten, wodurch sie ihre gespeicherte Flüssigkeit gleichsam ausschwitzen. Der entstehende Dampf kondensiert dann in einer schrägen Metallbox, die das System nach unten hin abschließt. Dort kann es schließlich in ein Sammelgefäß perlen und genutzt werden.
Pflanzen wachsen in der Wüste
Das Gerät, das die Forscher zu Demonstrationszwecken des Konzepts gebaut haben, besitzt ein Solarpaneel mit 60 Zentimeter Länge und 30 Zentimeter Breite. Für ihre Versuche haben sie es mit einer Pflanzenzuchtbox kombiniert, in der zwei Wochen lang 60 Wasserspinat-Pflanzen kultiviert wurden. Versorgt wurden sie ausschließlich durch das aus der Luft gesammelte Wasser aus der Anlage. Wie die Auswertungen ergaben, hatte die Anlage neben der Stromerzeugung in den zwei Wochen zwei Liter Wasser geliefert. Damit wuchsen und gediehen die Pflanzen in der Anzuchtbox prächtig, berichten die Forscher.
Wie sie betonen, gibt es neben der Wassererzeugung noch eine alternative Einsatzmöglichkeit des Systems: Es lässt sich zur Kühlung der Solarzellen einsetzten. Dazu wird der Kondensationsbehälter am Tag einfach geöffnet, damit die Feuchtigkeit von den Hydrogel-Einheiten effektiv für Transpirationskühlung sorgen kann. So kam es zu einer Abkühlung der Sonnenpaneele um bis zu 17 Grad Celsius und damit zu einer Steigerung der Stromerzeugung um bis zu knapp zehn Prozent, berichtet die Wissenschaftler.
Als die wichtigere Einsatzmöglichkeit sehen sie aber offenbar die Kombination von Energie und Wassererzeugung: “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”, sagt Wang. “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”, sagt Wang. Um das bisherige Proof-of-Concept-Design in ein tatsächliches Produkt zu verwandeln, plant das Team nun, die Wasseraufnahmefähigkeit ihres Hydrogels noch weiter zu steigern.
Quelle: Cell Press, Fachartikel: Cell Reports Physical Science, doi: 10.1016/j.xcrp.2022.100781
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