Neuartiges Material entwickelt, das passiv Wasser aus der Luft gewinnen kann
(blog.seas.upenn.edu)- Ein Forschungsteam der University of Pennsylvania hat eine neuartige Materialklasse entdeckt, die ohne externe Energie passiv Wasser aus der Luft gewinnen kann
- Das Material besitzt eine einzigartige Struktur aus hydrophilen Nanoporen und hydrophoben Polymeren, die Feuchtigkeit aus der Luft in den Poren einfängt und an die Oberfläche abgeben kann
- Es nutzt Kapillarkondensation besonders effektiv, funktioniert dadurch auch bei niedriger Luftfeuchtigkeit und zeichnet sich im Vergleich zu bestehenden Materialien dadurch aus, dass das Wasser nicht in den Poren verbleibt, sondern bis an die Oberfläche transportiert wird
- Da die Herstellung vergleichsweise einfach ist und sich auf einen kommerziell skalierbaren Prozess übertragen lässt, bestehen gute Einsatzmöglichkeiten etwa für Wassergewinnung in trockenen Regionen oder zur Kühlung elektronischer Geräte
- Künftig sollen die Optimierung des Verhältnisses von hydrophilen und hydrophoben Bestandteilen sowie Studien zur Skalierung für reale Anwendungen vorangetrieben werden
Entdeckung eines nanostrukturierten Materials mit neuartigem Funktionsprinzip
Ein Team aus der Chemietechnik an der University of Pennsylvania entdeckte während eines Experiments durch eine zufällige Beobachtung ein neuartiges nanostrukturiertes Material, das ohne externe Energie Wasserdampf aus der Luft einfängt und als Wassertröpfchen an der Oberfläche freisetzt
Die Studie wurde in Zusammenarbeit mit Fachleuten aus verschiedenen Disziplinen durchgeführt. Von dem Material wird erwartet, dass es neue Anwendungsfelder eröffnet, etwa für die Wassergewinnung in trockenen Regionen oder die Kühlung elektronischer Geräte
Aufklärung des Prinzips durch den Entdeckungsprozess
- Zu Beginn der Forschung wurde vermutet, dass die an der Oberfläche entstehenden Wassertröpfchen durch externe Faktoren wie Temperaturschwankungen der Versuchsanlage verursacht würden, doch es zeigte sich, dass mit zunehmender Materialdicke auch die auf der Oberfläche gebildete Wassermenge zunahm
- Daraus wurde abgeleitet, dass sich das Material anders als herkömmliche nanopore Materialien verhält: Im Inneren der Membran kondensiertes Wasser wandert bis an die Oberfläche und erscheint dort als Tröpfchen
Funktionsweise der Nanoporen
- Herkömmliche Wassergewinnung erfordert niedrige Temperaturen oder hohe Luftfeuchtigkeit oder den Einsatz externer Energie zur Kühlung der Oberfläche
- Dieses neue Material kondensiert jedoch dank Kapillarkondensation Wasserdampf in den Nanoporen selbst bei niedriger Luftfeuchtigkeit
- Darüber hinaus wird die kondensierte Feuchtigkeit nicht in den Poren eingeschlossen, sondern wandert an die Oberfläche und wird dort als Wassertröpfchen freigesetzt
- Dass die Verdunstungsrate im Verhältnis zur Krümmung und Größe der Tröpfchen extrem gering ist und diese deshalb über lange Zeit stabil an der Oberfläche verbleiben können, übertrifft bisherige theoretische Annahmen
Überprüfung der Grundprinzipien und besondere Eigenschaften
- Durch die Bestätigung des Zusammenhangs zwischen Membrandicke und der Menge an Oberflächentröpfchen wurde nachgewiesen, dass das beobachtete Phänomen nicht auf Oberflächenkondensation, sondern auf in den Poren gespeichertes Wasser zurückgeht
- Externe Forschungspartner reproduzierten das Phänomen ebenfalls und richteten ihre Aufmerksamkeit auf das Potenzial dieses besonderen nanostrukturierten Materials
Ausgewogene Materialkombination und Anwendungsperspektiven
- Die exakte Mischung aus hydrophilen Nanopartikeln und hydrophobem Polyethylen spielt eine entscheidende Rolle
- Im Material sind verborgene Speicher in den Poren mit den Wassertröpfchen an der Oberfläche verbunden, sodass kontinuierlich Feuchtigkeit aus der Luft aufgenommen wird und eine regenerative Feedback-Schleife entsteht
- Das Material lässt sich unter Verwendung gängiger Polymere und Nanopartikel auch gut in großen Mengen produzieren
- Es bestehen vielfältige industrielle Anwendungsmöglichkeiten, etwa für die direkte Wassergewinnung in trockenen Regionen, Oberflächen zur Kühlung von Elektronik und Gebäuden oder feuchtigkeitsreaktive Beschichtungen
Zukünftige Forschungsrichtungen und erwartete Effekte
- Weitere Forschungsaufgaben bestehen noch in der detaillierten Aufklärung des Wirkmechanismus, der Optimierung des Verhältnisses von hydrophilen und hydrophoben Eigenschaften, der Anwendung im großen Maßstab sowie der Ablösung der gesammelten Wassertröpfchen von der Oberfläche
- Das Forschungsteam bezieht bei der Materialentwicklung unter anderem Methoden biologischer Systeme zur effizienten Steuerung von Wasser als Vorbild ein
- Langfristig könnte dies zur Entwicklung einer sauberen Wasserversorgung für trockene Regionen oder umweltfreundlicher Kühltechnik führen, die allein durch Wasserverdunstung funktioniert
Forschungsförderung
- Die Studie wurde mit Unterstützung mehrerer Institutionen durchgeführt, darunter die US National Science Foundation (NSF), das Energieministerium und die Alfred P. Sloan Foundation
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
Ein neues nanostrukturiertes Material soll ohne externe Energie Wasser aus der Luft anziehen, sammeln und an der Oberfläche freisetzen können, was für mich wie eine Art Hightech-Entfeuchterbeutel klingt. Beutel mit Calciumchlorid wie der Wisesorb Moisture Eliminator absorbieren Feuchtigkeit aus ungesättigter Luft und bilden Wassertropfen, müssen nach der Nutzung aber ersetzt oder ausgekocht werden, um wiederhergestellt zu werden. Bei diesem neuen Material haften die Tropfen an der Oberfläche und ihre Entfernung erfordert Energie. Das Wasser fällt also nicht wie durch Zauberei einfach unten in einen Behälter. Man kann die Tropfen mit einem Papiertuch abwischen, aber um das Wasser anschließend wieder aus dem Tuch zu bekommen, braucht man erneut Energie. Und die Formulierung „widerspricht den Gesetzen der Physik“ ist schlicht falsch; ich finde, PR-Teams von Universitäten und Technikjournalisten sollten lernen, bei solchen Behauptungen mit Autoren und unabhängigen Experten doppelt und dreifach nachzuprüfen. Sowohl die irreführenden Formulierungen als auch die Überschrift stammen aus dem PR-Beitrag der Universität
Es handelt sich um laufende Forschung, und dieses Material zeigt ein etwas anderes Potenzial als Einweg-Entfeuchterbeutel wie Thirsty Hippos. Richtig ist: (1) Es verletzt keine physikalischen Gesetze und (2) zum Entfernen der Tropfen wird weiterhin Energie benötigt. Wenn sich die Tropfen jedoch an die Oberfläche bewegen, könnte die zum Freisetzen nötige Energie viel geringer sein als bei bestehenden aktiven Entfeuchtungsverfahren wie Peltier-Elementen. Zur Einordnung: Thirsty Hippo ist ein superwirksames Silicagel für kleine Räume
Danke für die Erklärung. Als ich nur die Überschrift gelesen hatte, dachte ich schon, jemand hätte vielleicht ein Perpetuum mobile entdeckt
In den Publikationen, an denen ich beteiligt war, haben wir bei PR-Material von Universitäten direkt mit ihnen kommuniziert
Es ist absolut unmöglich, physikalische Gesetze zu verletzen. Wenn ein Gesetz falsch zu sein scheint, dann haben wir es falsch verstanden. Genauso ist es unmöglich, ein Gesetz „auszutricksen“; das Universum kann nur tun, was es erlaubt
Aus der Originalarbeit: „All measurements were maintained at 20°±0.2°C with an air circulation system, and the film temperature was controlled by a heating/cooling unit when needed.“ Die latente Wärme wird also an eine Kühleinheit abgeführt, und dass das nicht ausdrücklich hervorgehoben wird, wirkt auf mich so, als wolle man es dramatischer erscheinen lassen
Ein weiterer bemerkenswerter Teil aus der Arbeit: „Macroscopic droplets were generated isothermally when the NP size was below 22 nm, the relative humidity exceeded approximately 90%, and ϕPE was between 0.05 and 0.35“; „Initial droplets visible under optical microscopy (~1 μm in size) appeared within seconds after exposure to 97% relative humidity.“ Die Luft ist also wirklich fast am Taupunkt. Viele konzentrieren sich zu sehr auf die angebliche „Physikverletzung“, dabei ist das in Wirklichkeit eine schrittweise Verbesserung eines natürlichen Phänomens
Die Temperatur mit einem Thermostat konstant zu halten, ist kein Problem. Wäre die Oberfläche kälter als die Luft gehalten worden, also unter dem Taupunkt, wäre das eine Erklärung, aber nach dem, was in der Arbeit steht, scheint das nicht der Fall zu sein. Sie behaupten im Wesentlichen, dass sich aus ungesättigtem Wasserdampf spontan makroskopische Tropfen bilden, und das ist nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik nicht zulässig
Nachdem ich die Erklärung gelesen habe, ergibt es mehr Sinn. Statt so zu formulieren, als würde man die Physik verletzen, hätte man sich lieber darauf konzentrieren sollen, was konkret verbessert wird. Meiner Meinung nach könnte dieses Material bei höheren Temperaturen arbeiten, und wenn die Umgebungstemperatur niedrig ist, könnte die latente Wärme passiv abgegeben werden. Selbst mit einer aktiven Wärmepumpe wäre ein effizienterer Prozess bei hohen Temperaturen möglich. In einem geschlossenen System stellt sich irgendwann ein Gleichgewicht ein, aber das System muss ja nicht vollständig geschlossen sein
Diese Forschung fällt auf, weil sie im Unterschied zu bisherigen adsorptionsbasierten Technologien offenbar weiterhin Wasser aus der Luft ziehen kann, ohne dass sich der Mechanismus ändern muss. Wenn man dieses Material auf Aluminium aufbringen könnte, um die latente Wärme abzuführen, ließe sich vielleicht ein System entwerfen, das ohne zusätzliche Energie kontinuierlich nur Wasser produziert. Man könnte einen Würfel aus „Rippen“ aus diesem Material in den Schatten stellen und darunter einen Auffangbehälter platzieren. Interessant wäre, wenn so ein Gerät tatsächlich gebaut würde und man messen könnte, wie viele Liter pro Tag es unter welchen Bedingungen erzeugt. Gerade in Gefahrensituationen, etwa bei Feuchtkugeltemperatur-Effekten, könnte eine passive Vorrichtung zur Entfernung von Luftfeuchtigkeit ohne Energieeinsatz sogar Leben retten
Dass die latente Wärme tatsächlich an eine Kühleinheit abgeführt wird, mag aus dramaturgischen Gründen heruntergespielt worden sein, aber wenn das Material dabei wärmer als die Umgebungsluft wird, wäre das ungewöhnlich. Normalerweise muss man die Temperatur weiter senken, um Feuchtigkeit zu entziehen. Auch wenn es nicht ideal ist, um die maximal extrahierbare Wassermenge zu messen, ist das Herunterkühlen bis auf Umgebungstemperatur eine viel leichtere Aufgabe
Sofern sich nicht irgendwo in der Arbeit ein wirklich wichtiger Vorbehalt versteckt, scheint das, was sie behaupten, nicht mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik vereinbar zu sein. Sie behaupten, dass sich an der Oberfläche des Nanomaterials unter <i>isothermen</i> Bedingungen und bei <i>weniger als 100% relativer Feuchtigkeit</i> Wassertropfen bilden. Das ist thermodynamisch absolut unmöglich. Unter solchen Bedingungen kann Kondensation nur in konkaven Flächen, also in Poren, auftreten; auf einer flachen Oberfläche können sich keine konvexen Tropfen bilden. Die Erklärung in der Arbeit, „hydrophile Komponenten könnten Wasser herauspressen“, ist unsinnig. Damit sich Wasser in konkaven Poren sammelt und dann in einen konvexen Tropfen übergeht, müsste der hydrostatische Druck gleichzeitig positiv und negativ sein, was unmöglich ist. Aus meiner Sicht gibt es drei Möglichkeiten: 1) verunreinigte Oberfläche, 2) falsch gemessene relative Luftfeuchtigkeit, 3) eine kühlere Platte als die Umgebung wurde nicht erwähnt. Link zur Arbeit
Repost von vor 4 Tagen: HN-Kommentarlink und sie vermarkten das sehr übertrieben, als würden sie die Thermodynamik verletzen. Tatsächlich tun sie das nicht, und Entfeuchter holen bereits jetzt mit bekannter Effizienz genug Wasser aus der Luft, also müsste es irgendeinen anderen Vorteil geben. Welcher das ist, wird aber nicht wirklich klar
Ich stimme der Aussage „Entfeuchter holen bereits jetzt gegen entsprechenden Energieaufwand genug Wasser aus der Luft“ nicht zu. Kondensations-Entfeuchter kosten in der Praxis ungefähr so viel Strom wie eine Klimaanlage, geben unerwünschte Wärme ab und sind ziemlich laut. Trockenmittel-Entfeuchter sind noch ineffizienter. Wenn es einen Weg gäbe, mit weniger Energie und deutlich leiser Feuchtigkeit aus der Luft zu holen, wäre das ein gewaltiger Fortschritt
Es wirkt nicht so, als würde hier tatsächlich die Thermodynamik verletzt. Das heißt aber nicht, dass das theoretisch nötig wäre, um Wasserdampf aus der Atmosphäre zu kondensieren. Laut der Arbeit wurde „[bei Exposition hydrophiler nanoporous PINFs gegenüber Umgebungen mit weniger als 100% Luftfeuchtigkeit die spontane Bildung makroskopischer Wassertropfen auf ihrer Oberfläche ohne Kühlung beobachtet]“. Link zur Arbeit
Die Idee hier ist, dass man Wasser gewinnen kann, ohne die Luft zu kühlen. Zuerst nimmt das Material Feuchtigkeit auf und wird dabei etwas wärmer, diese Wärme wird dann passiv nach außen abgestrahlt. Wäre das Gesamtsystem geschlossen, würde sich irgendwann ein Gleichgewicht einstellen, aber genau der Unterschied ist, dass es eben nicht geschlossen sein muss
Auf die Frage „Müsste da nicht etwas Attraktiveres dran sein?“ wäre meine Antwort: Windtraps, also das Konzept der Windfallen aus Dune
Es gibt hier mehrere ähnliche, doppelte Kommentare; ich werde sie daher zusammenfassen und berücksichtigen
Wenn diese Technologie wirklich praktisch einsetzbar wird, wären die Anwendungsmöglichkeiten enorm. Man könnte neben jeden Baum oder entlang jeder Anbauzeile ein solches Element aufstellen. In Häusern ließe es sich zusammen mit A/C einsetzen, um Kühlung und Feuchtigkeitsmanagement zu verbessern. Man könnte Wasser in Bergen oder an Hochhäusern sammeln und sogar für kleine Wasserkraftanwendungen nutzen. Auch zum Nachfüllen von Pools wäre es denkbar
Ich frage mich, ob sich damit ein hervorragendes Entsalzungsverfahren bauen ließe. Man könnte Meerwasser in einem geschlossenen System in die Luft verdunsten lassen, bis diese mit Wasserdampf gesättigt ist, und dann mit diesem Material das Wasser ernten
Schade, dass sie die Formulierung „verletzt die Gesetze der Physik“ verwendet haben. Diese Forschung ist eine wichtige Entdeckung für Systeme zur Wasserkondensation, aber die übertriebene Behauptung, es brauche keine externe Energie, ist unverantwortlich. Meiner Meinung nach haben sie etwas gebaut, das einem Brownian Ratchet ähnelt. Es wird immer gesagt, es brauche keine externe Energie, aber bei genauerem Hinsehen gibt es am Ende doch eine Temperaturdifferenz, und um diese aufrechtzuerhalten, braucht man Energie von außen. Wahrscheinlich ist das Material kälter als die Luft oder die eintretende Feuchtigkeit wärmer als die Umgebung. Möglich ist auch ein Temperaturgradient im Material oder dass die Laborbeleuchtung nur eine Seite erwärmt. Viele passive Geräte hängen in Wirklichkeit von Temperaturunterschieden zwischen Tag und Nacht ab, und diese Energie kommt letztlich von der Sonne. Im Artikel heißt es, man habe die Materialdicke erhöht, um Temperaturgradienten auszuschließen, aber ich verstehe nicht ganz, warum. Falls niemand absichtlich Energie zugeführt hat, wäre dieses Material ziemlich effizient — vorausgesetzt, es wurden nicht tatsächlich gekühlte Proben verwendet — und trotzdem ist es bedauerlich, dass man offenbar ein Perpetuum mobile behaupten muss, um öffentliche Aufmerksamkeit zu bekommen
Ich verstehe auch, dass Universitäten manchmal Aufmerksamkeit erzeugen müssen, aber Begriffe wie „Passively Harvest“ und „Defies Physics“ sollte man im wissenschaftlichen Kontext äußerst vorsichtig verwenden. Es ist ein Blogpost, daher erwarte ich keine Strenge auf Peer-Review-Niveau, aber letztlich schadet ein solcher Sprachgebrauch der Wissenschaft. Zu glauben, irgendein magisches Material könne den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik aushebeln, hat mehr mit Alchemie als mit Chemie zu tun
PET ist ein ziemlich guter Isolator, und die Forschenden scheinen geprüft zu haben, ob eine Temperaturdifferenz die Ursache der Kondensation ist oder nicht. Wenn Temperatur und Feuchtigkeit tatsächlich beide kontrolliert wurden, könnte das bedeuten, dass das Material selbst wärmer wird; selbst dann wäre das aber ein Problem, das sich mit passiver Kühlung über einen Radiator lösen ließe. Das in dieser Arbeit beschriebene Phänomen könnte, wenn es sich wirklich umsetzen lässt, eine ziemlich große Innovation sein und wirkt grundsätzlich plausibel
Würde man der Atmosphäre in großem Maßstab Wasser entziehen, könnte das die Klimamuster der Erde schwerwiegend beeinflussen. Wenn ein Land zu viel Wasser absaugt, könnte in einem anderen weniger Regen fallen
Die Technologie selbst ist ziemlich interessant. Im größeren Bild scheint sie die thermodynamische Differenz des Kondensations-Verdunstungs-Zyklus von großskaligen Klimafaktoren auf Materialeigenschaften zu verlagern. Wenn sich die Porengröße frei variieren ließe, könnte man das Gleichgewicht von Zu- und Abfluss in einem Speichertank jederzeit steuern. Denkbar wäre zum Beispiel auch Smart Clothing: Bei Hitze öffnet man die Poren, damit mehr Wasser abgegeben wird, bei Kälte verkleinert man sie, um Verdunstung zu vermeiden. Ich wünschte nur, der Artikel hätte auf die Formulierung „verletzt die Physik“ verzichtet
Was die Leute unbedingt wissen sollten: Die physikalischen Gesetze sagen, dass die minimale Energie, die nötig ist, um Wasser aus Luft zu trennen, deutlich höher ist als die minimale Energie für die Trennung von Wasser aus Salzwasser. Deshalb ist Entsalzung immer effizienter als Wassergewinnung aus Luft