Neuartiges Material entwickelt, das Wasser passiv aus der Luft gewinnen kann
(blog.seas.upenn.edu)- Forschende von Penn Engineering haben eine Klasse nanostrukturierter Materialien entdeckt, die Feuchtigkeit aus der Luft ohne externe Energie in Poren sammelt und anschließend als Tröpfchen an die Oberfläche abgibt
- Der Schlüssel ist eine amphiphile nanoporöse Struktur, die hydrophile Nanoporen mit hydrophoben Polymeren kombiniert, sodass selbst bei niedriger Luftfeuchtigkeit Kapillarkondensation in den Poren auftritt
- Anders als bei herkömmlichen nanoporösen Materialien bleibt das Wasser nicht in den Poren, sondern wandert an die Oberfläche; mit zunehmender Membrandicke steigt auch die gesammelte Wassermenge
- Entgegen der Vorhersage, dass die Oberflächentröpfchen schnell verdunsten würden, blieben sie lange erhalten; dies wird als Struktur interpretiert, bei der ein verborgenes Reservoir unter den Poren kontinuierlich durch Wasserdampf aus der Luft nachgefüllt wird
- Das Material könnte zu passiver Wassergewinnung in trockenen Regionen, Kühloberflächen für Elektronik und Gebäude sowie feuchtigkeitsreaktiven Smart Coatings führen, doch die Optimierung des Komponentenverhältnisses und die Herstellung in großem Maßstab stehen noch aus
Entdeckung aus einem zufälligen Wassertropfen
- In einem Labor für Chemieingenieurwesen bei Penn Engineering entstanden auf der Oberfläche eines Versuchsmaterials Wassertropfen, während eine Kombination aus hydrophilen Nanoporen und hydrophoben Polymeren getestet wurde
- Das ursprüngliche Ziel war nicht die Wassergewinnung, doch als das unerwartete Phänomen wiederholt auftrat, begann das Forschungsteam mit der Ursachenanalyse
- Die in Science Advances veröffentlichte Studie behandelt amphiphile nanoporöse Materialien, die Feuchtigkeit aus der Luft einfangen und an die Oberfläche abgeben
- Zum Forschungsteam gehörten Daeyeon Lee und Amish Patel von Penn Engineering, der Postdoktorand Baekmin Kim aus Lees Labor sowie Stefan Guldin von der Technical University of Munich
Funktionsprinzip der Wassersammlung ohne Kühlung
- Gewöhnliche Oberflächenkondensation erfordert eine Temperaturabsenkung oder sehr hohe Luftfeuchtigkeit
- Auch bestehende Verfahren zur Wassergewinnung sind oft auf Energiezufuhr zur Oberflächenkühlung oder auf Bedingungen angewiesen, unter denen sich in feuchter Umgebung dichter Nebel bildet
- Dieses Material nutzt statt Kühlung Kapillarkondensation
- Dabei kondensiert Wasserdampf in sehr kleinen Poren selbst bei niedriger Luftfeuchtigkeit
- Kapillarkondensation an sich ist kein neues Phänomen
- Der Unterschied besteht darin, dass das kondensierte Wasser nicht in den Poren eingeschlossen bleibt, sondern zur Oberfläche wandert und dort als Wassertropfen erscheint
Interner Ursprung durch Experimente zur Membrandicke bestätigt
- Das Forschungsteam prüfte zunächst, ob das Wasser wegen apparativer Faktoren wie eines Temperaturgradienten im Labor einfach an der Oberfläche kondensiert sein könnte
- Um die Ursache einzugrenzen, erhöhten sie die Dicke der Materialmembran und überprüften, ob sich die auf der Oberfläche gesammelte Wassermenge verändert
- Wäre allein Oberflächenkondensation die Ursache, dürfte die Membrandicke die Wassermenge nicht beeinflussen
- Tatsächlich nahm die insgesamt gesammelte Wassermenge mit zunehmender Membrandicke zu, was darauf hindeutet, dass die Oberflächentröpfchen aus dem Inneren des Materials stammen
Langlebige Tröpfchen und ein Kreislauf der Nachfüllung
- Betrachtet man nur Größe und Krümmung der Tröpfchen, müssten sie schnell verdunsten, im Experiment blieben sie jedoch über lange Zeit stabil
- Ein externes Kooperations-Team übernahm außerdem die Beobachtung der porösen Membranen unter verschiedenen Bedingungen und bestätigte so die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse
- Das Material zeigt besondere Eigenschaften durch das Gleichgewicht aus wasseranziehenden Nanopartikeln und dem wasserabweisenden Kunststoff Polyethylen (polyethylene)
- Die Oberflächentröpfchen sind mit einem verborgenen Reservoir in den darunterliegenden Poren verbunden
- Das Reservoir wird kontinuierlich durch Wasserdampf aus der Luft nachgefüllt
- Das Gleichgewicht zwischen hydrophilen und hydrophoben Bestandteilen ermöglicht eine Feedback-Schleife aus Kondensation und Freisetzung
Herausforderungen für die Ausweitung auf passive Wassergewinnung und Kühlung
- Ein Vorteil des Materials ist, dass es aus gängigen Polymeren und Nanopartikeln hergestellt wird und sich mit skalierbaren Fertigungsverfahren produzieren lässt
- Zu den potenziellen Einsatzgebieten gehören:
- Passive Wassergewinnungsgeräte für trockene Regionen
- Oberflächen zur Kühlung von Elektronik oder Gebäuden
- Smart Coatings, die auf die Umgebungsfeuchtigkeit reagieren
- Die Forschenden wollen außerdem untersuchen, wie Zellen und Proteine in komplexen Umgebungen Wasser steuern, um dieses Wissen für bessere Materialdesigns zu nutzen
- Die nächsten Schritte sind die Optimierung des Gleichgewichts zwischen hydrophilen und hydrophoben Bestandteilen, das Scale-up für den praktischen Einsatz sowie die Untersuchung von Methoden, mit denen die gesammelten Tröpfchen effizient von der Oberfläche abrollen
- Langfristig könnte daraus eine Technologie werden, die allein mit Wasserdampf aus der Luft sauberes Wasser in trockenen Klimazonen bereitstellt oder nachhaltigere Kühlmethoden ermöglicht
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
Die Beschreibung, dass es „Wasser aus der Luft zieht, in Poren sammelt und ohne externe Energie an die Oberfläche abgibt“, klingt nach einem fortgeschrittenen Entfeuchterbeutel
Produkte wie https://www.amazon.com/Wisesorb-Moisture-Eliminator-Fragranc... absorbieren mit Calciumchlorid Wasser aus ungesättigter Luft und bilden kleine Wassertropfen, müssen aber, wenn sie verbraucht sind, neu gekauft oder ausgekocht werden, um die Kristalle zurückzugewinnen
Auch bei dem neuen Material haften die Wassertropfen am Material, daher ist Energie nötig, um sie zu entfernen. Da sie nicht magisch in einen Eimer unter dem Gerät fallen, lässt sich Wasser nicht ohne Energie „ernten“. Man kann es zwar mit einem Papiertuch abwischen, aber um das Wasser wieder aus diesem Papiertuch herauszubekommen, braucht es erneut Energie
Auch die Formulierung „ein Material, das möglicherweise den Gesetzen der Physik trotzt“ ist falsch. PR-Teams von Universitäten und Technikjournalisten sollten eine kurze Schulung bekommen, damit sie bei den Autoren nachfragen und unabhängige Experten konsultieren, bevor sie glauben, die Gesetze der Physik seien gebrochen worden
Der problematische Satz und die irreführende Überschrift stammen aus dem Beitrag der Universität: https://blog.seas.upenn.edu/penn-engineers-discover-a-new-cl...
Es stimmt, dass die Gesetze der Physik nicht gebrochen werden und dass es weiterhin Energie kostet, die Wassertropfen abzulösen. Wenn die Tropfen aber an die Oberfläche wandern, könnte die für die Abgabe nötige Energie deutlich geringer sein als bei aktiven Entfeuchtungsverfahren wie Peltier-Elementen
https://www.amazon.sg/Thirsty-Hippo-Dehumidifier-Moisture-Ab...
Im Grunde ist es eher ein verbessertes Silicagel
Wenn man Abbildung 4 und die Simulationsabbildung 3E betrachtet, scheinen die Bedingungen, unter denen überhaupt etwas zu passieren beginnt, bei 97 % relativer Luftfeuchtigkeit zu liegen, und das offenbar erst nach einigen Minuten. Und das auch nur im Mikrometermaßstab
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349
Das ließe sich fast schon zu Hause ausprobieren. Man müsste nur Poly-Handschuhe in „gefriergetrocknetem“ Silicapulver auflösen
Wenn die benötigte Energie niedrig ist, könnte man es als interessante Technologie betrachten
Eine Kombination mit absorbierenden Oberflächen oder kapillarbasierten Transportsystemen könnte helfen, aber das scheint noch eine offene Frage zu sein
Im eigentlichen Paper (https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349) heißt es: „Sofern nicht anders angegeben, wurden alle Messungen bei 20° ± 0,2 °C durchgeführt, aufrechterhalten durch ein Luftzirkulationssystem. Bei Bedarf wurde die Filmtemperatur mit einem Heiz-/Kühlgerät (THMS350V, Linkam Scientific Instruments, Salfords, UK) geregelt.“
Das heißt: Die latente Wärme wird über das Kühlgerät abgeführt, nur wurde das wohl nicht ausdrücklich gesagt, damit es dramatischer wirkt.
Das ist sehr feuchte Luft, kurz bevor Tau entsteht. Viele konzentrieren sich auf die reißerische Formulierung „Verstoß gegen die Gesetze der Physik“, aber es ist eher eine schrittweise Verbesserung eines natürlich ablaufenden Prozesses.
Die zentrale Behauptung lautet, dass in ungesättigtem Dampf spontan makroskopische Tropfen entstehen, und das ist kein Phänomen, das der zweite Hauptsatz der Thermodynamik erlaubt.
Nach meinem aktuellen Verständnis kann es in Umgebungen mit ausreichend niedriger Umgebungstemperatur auch bei höheren Temperaturen funktionieren, sodass die latente Wärme passiv durch Strahlung abgeführt werden kann. Selbst wenn man eine aktive Wärmepumpe verwendet, kann eine höhere Temperatur die Effizienz verbessern. In einem geschlossenen System würde sich am Ende zwar ein Gleichgewicht einstellen, aber es besteht kein Grund, ein geschlossenes System aufrechtzuerhalten.
Vermutlich könnte man eine Schicht dieses Materials auf Aluminium aufbringen, um die latente Wärme abzuleiten, und so ein Gerät bauen, das ohne zusätzliche Energie kontinuierlich Wasser erzeugt. Man kann sich einen „Würfel“ vorstellen, der im Schatten ein Bündel von Finnen aus diesem Material und darunter einen Sammelbehälter enthält. Interessant wäre, wie viele Liter pro Tag sich nach dem Bau unter welchen Bedingungen aus der Umgebungsluft gewinnen lassen.
Solche Geräte könnten bei Wetterlagen mit Feuchtkugeltemperaturen, bei denen Temperatur und Feuchtegehalt für Menschen gefährlich sind, unverzichtbar sein. Ein passives Gerät, das ohne Energie Wasser aus der Luft zieht, könnte Leben retten.
Die Zwischenräume zwischen den Nanopartikeln werden teilweise mit Kunststoff gefüllt, und das Verhältnis von Kunststoff zu Partikeln ist der Polyethylen-Volumenanteil (ϕPE). Es wurden verschiedene Verhältnisse getestet, und in einem bestimmten Bereich tritt demnach das Benetzungsverhalten auf.
Experimentell heißt es, dass sich selbst bei 70 % relativer Luftfeuchtigkeit kleine Wassertropfen im Inneren des Materials bilden. Falls das stimmt, ist zu erwarten, dass es einen Weg gibt, die Tropfen mit sehr wenig Energie zu extrahieren. Man könnte zum Beispiel offene Sammelpunkte im Film anlegen, Tropfen per Ultraschall losschleudern und zusammenführen oder den Film auf einem Material erzeugen, das mit Wasser gesättigt werden kann, sodass neue Tropfen leichter in den Fluss übergehen.
https://en.wikipedia.org/wiki/Volume_fraction
Sofern nicht irgendwo im Paper ein entscheidender Hinweis versteckt ist, scheint diese Behauptung nicht mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik vereinbar zu sein.
Sie behaupten, dass bei konstanter Temperatur und unter 100 % relativer Luftfeuchtigkeit Wassertropfen auf einem Nanomaterial kondensieren. Nach der uns bekannten Thermodynamik ist das absolut verboten. Unter solchen Bedingungen kann Kondensation auf konkaven Oberflächen innerhalb von Poren auftreten, aber auf einer ebenen Oberfläche können keine konvexen Tropfen entstehen.
Auch die Erklärung, eine hydrophobe Komponente „presse“ Wasser an die Oberfläche, ist Unsinn. Die Kondensation würde aufhören, bevor etwas überläuft. Damit in einer konkaven Pore kondensiertes Wasser als konvexer Tropfen herausgedrückt wird, müsste der hydrostatische Druck gleichzeitig positiv und negativ sein.
Mögliche Erklärungen wären höchstens: 1) eine verunreinigte Oberfläche, 2) ein Kalibrierfehler bei der relativen Luftfeuchtigkeit oder 3) eine ausgelassene Kühlplatte, die das Material kälter als die Umgebung hält.
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349
Feuchtigkeit diffundiert in alle Materialien hinein und verdunstet entsprechend dort, wo der Dampfdruck niedriger ist. Deshalb werden die Lippen bei 40 % relativer Luftfeuchtigkeit trocken und fühlen sich bei 70 % feucht an.
Gemeint ist Kondensation, und die entsteht, wenn Luft durch Temperaturabfall übersättigt wird; das scheint hier aber nicht der Fall zu sein.
Theoretisch könnte ein Material möglich sein, das viel Feuchtigkeit aus der Luft aufnimmt, durch mikroskopische Eigenschaften die Tropfenbildung fördert und diese Tropfen mit einem passiven Material, etwa einer smarten Dampfsperrschicht, von der Luft trennt, um Wasser zu gewinnen.
Nasse Dinge ziehen Staub und Mikroorganismen an. Wo Staub und Wasser sind, vermehren sich Mikroorganismen stärker. Sehr schnell wird dort Flechtenbewuchs entstehen.
Vor vier Tagen erneut gepostet: https://news.ycombinator.com/item?id=44060712
Außerdem ist es ihnen wirklich gelungen, es so klingen zu lassen, als würde es gegen die Thermodynamik verstoßen. Tut es in Wirklichkeit nicht, und Luftentfeuchter holen bereits ziemlich gut Wasser aus der Luft, gemessen an den Energiekosten, die man dafür bezahlt. Es müsste also einen anderen Selling Point geben, aber der ist nicht wirklich zu erkennen
Kondensations-Luftentfeuchter kosten im Betrieb ähnlich viel wie Klimaanlagen, erzeugen unerwünschte Wärme und sind laut. Adsorptions-Luftentfeuchter sind noch weniger energieeffizient
Wenn es eine Möglichkeit gibt, mit weniger Energie und Lärm Feuchtigkeit aus der Luft zu ziehen, wäre das enorm
In der Arbeit heißt es: „Überraschenderweise erscheinen, wenn dieses amphiphile nanopore PINF hohen ungesättigten Bedingungen, also relativer Luftfeuchte (RH) < 100 %, ausgesetzt wird, ohne Kühlung spontan makroskopische Wassertröpfchen auf der Filmoberfläche“
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349
Man gewinnt zuerst Wasser, dadurch erwärmt sich das Material etwas, und anschließend kann es wieder passiv auf Umgebungstemperatur abkühlen
https://dune.fandom.com/wiki/Windtrap
Ich wünschte, die Pressemitteilung hätte nicht die Formulierung „trotzt der Physik“ verwendet. Für Wasserkondensatoren könnte das eine wichtige Entdeckung sein, aber zu behaupten, es brauche keine externe Energiequelle, ist grob fahrlässig
Mit ziemlicher Sicherheit haben sie eine Art Brownsche Ratsche gebaut: https://en.wikipedia.org/wiki/Brownian_ratchet
Leute behaupten gern, es gebe keine externe Energiequelle, aber wenn man genauer hinsieht, gibt es einen Unterschied zwischen warm und kalt, und um diesen Unterschied aufrechtzuerhalten, braucht man externe Energie. Ich würde viel Geld darauf wetten, dass das Material kälter ist als die Umgebung oder dass die einströmende Feuchtigkeit wärmer ist als die Umgebung. Es könnte auch ein Unterschied innerhalb des Materials sein, oder die Laborbeleuchtung erwärmt eine Seite
Es gibt auch viele passive Geräte, die auf dem Temperaturzyklus von Tag und Nacht beruhen, aber auch das ist Energie von der Sonne
Im Artikel steht, dass sie versucht haben, thermische Gradienten auszuschließen, indem sie die Materialdicke erhöht haben, aber ich verstehe nicht, warum das sie ausschließen sollte. Gradienten können weiterhin existieren
Wenn sie nicht absichtlich Energie zuführen, ist es vermutlich sehr effizient, und dann wäre es immer noch eine große und wichtige Sache. Aber offenbar muss man es wie ein Perpetuum mobile darstellen, um öffentliche Aufmerksamkeit zu bekommen, und das gefällt mir nicht
Auch wenn es ein Blogbeitrag ist und ich nicht die Strenge eines Peer-Review-Papers erwarte, schadet es am Ende der Wissenschaft. Der Glaube, irgendein magisches Material werde den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik brechen, ist näher an Alchemie als an Chemie
Wenn man annimmt, dass Temperatur und Luftfeuchte kontrolliert wurden, müsste sich das Material stärker erwärmen, was sich offenbar passiv mit einem Kühlkörper lösen ließe. Wenn das, was sie beschreiben, stimmt, ist das eine ziemlich große Sache, und es klingt plausibel
Ziemlich cool. Im Grunde verlagert man die für den Kondensations-Verdampfungs-Zyklus nötige thermodynamische Differenz von der Klimasteuerung zur Materialsteuerung
Was wäre, wenn man später die Porengröße programmieren könnte? Dann ließe sich das Gleichgewicht von Zufluss und Abfluss eines Speichers bei Bedarf verändern. Man kann sich smarte Kleidung vorstellen: Wenn es heiß ist, vergrößert sie die Poren und gibt Wasser ab; wenn es kalt ist, verkleinert sie die Poren, sodass weniger Wasser verdunstet
Die Formulierung „Verstoß gegen die Physik“ im Artikel stört allerdings
In diesem Zusammenhang sind https://en.wikipedia.org/wiki/Air_well_(condenser), https://en.wikipedia.org/wiki/Fog_collection und https://en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_water_generator einen Blick wert
Der Mechanismus des neuen Materials ist völlig anders. Die Luft muss offenbar nicht gesättigt sein
Es gibt bereits Materialien, die Wasser aus der Luft entfernen. In solchen Fällen bleibt das Wasser im absorbierten Zustand. Dieses Material scheint nach einem ähnlichen Prinzip zu funktionieren, aber der wirkliche Unterschied ist, dass das Wasser nicht dauerhaft absorbiert bleibt
Das hier ist zwar nicht Reddit, aber trotzdem
https://en.wikipedia.org/wiki/Dune_(novel)
Man muss verstehen, dass die Mindestenergie, die nötig ist, um Wasser aus Luft abzutrennen, viel größer ist als die Mindestenergie, die nötig ist, um Wasser aus Salzwasser abzutrennen
Aufgrund dieser physikalischen Tatsache wird Entsalzung immer effizienter sein müssen als die Gewinnung von Wasser aus der Atmosphäre
Wenn es ein Gerät gäbe, das keine zusätzlichen Verbrauchsstoffe benötigt, wäre das ziemlich interessant. Es dürfte viele Orte geben, an denen man davon profitiert, dass Strom genutzt werden kann, aber keine anderen Materialien zugeführt werden müssen
Wenn Strom vorhanden ist, kann man überall Wasser aus der Luft gewinnen. Entsalzung bedeutet meist, dass am Meer erzeugtes Wasser dorthin transportiert werden muss, wo man es haben will
Ich habe keine Ahnung, ob Transportkosten so groß werden können, dass Wassergewinnung aus der Luft effizienter wird
Aus Sicht der Energiebilanz und des Vergleichs mit anderen Technologien bedeutet das: Da Absorption und Kondensation passiv im selben Material stattfinden, muss keine Energie zugeführt werden.
Die bei der Absorption entstehende Wärme wird im anschließenden Kondensationsschritt abgeführt. Die Bedeutung dieser Entdeckung liegt daher darin, dass Klimaanlagen, Luftentfeuchter oder die moisture vaporators auf dem südlichen Höhenzug keinen Strom mehr benötigen würden.
Ich teste KI ständig, und das war ein interessantes Thema, um zu sehen, wie ein Modell über eine Technik nachdenkt, auf die es wahrscheinlich nicht trainiert wurde. Grok hat den Prozess gründlicher durchdacht als ich (B.S.ChemE).
https://grok.com/share/bGVnYWN5_e80e8100-3682-4157-879e-c5ca...
Mitten in der Mojave habe ich einmal etwas Ähnliches aus Karbonatgestein, Holzkohle und einem großen gewellten Metallrohr gebaut.
Es produzierte etwa 3 Gallonen Wasser pro Nacht.
34.997387, -116.380048
Man sollte das große herausragende Rohr sehen können. Dort wurde ein Bergarbeiterhotel gebaut.