Chemisch umgebauter Plastikmüll kann aus feuchter Luft fast 60 Prozent seiner eigenen Masse an Wasser aufnehmen und funktioniert auch unter trockenen Bedingungen. Ein Wiener Team gewinnt solche Materialien aus alltäglichen Kunststoffabfällen, darunter Verpackungen, CDs und Spielzeug. Nachgewiesen ist bisher die Speicherleistung im Labor; welche Abfälle sich dafür eignen, entscheidet ein unsichtbares Merkmal ihres chemischen Aufbaus.
Aus Plastikmüll haben drei Materialchemiker in Wien poröse Wasserfänger hergestellt, deren Rohstoffe gewöhnlich in Verpackungen oder ausrangierten Alltagsgegenständen stecken. Anastasiia Naryshkina, Paul Schweng und Robert Woodward von der Universität Wien untersuchten dafür mehrere Kunststoffsorten. Dazu gehören Polystyrol aus Verpackungen, Polycarbonat aus silbrig glänzenden CDs und ABS, der Kunststoff vieler bunter Legosteine. Ihre Arbeit im Fachjournal Chem Circularity nutzt die vorhandenen Molekülketten der Abfälle als Ausgangspunkt für ein neu zusammengesetztes Material.
Geeignet sind aromatische Polymere, deren chemische Struktur Ringe aus jeweils sechs Kohlenstoffatomen enthält und damit Ansatzpunkte für zusätzliche Verbindungen zwischen den Ketten bietet. An diesen Stellen vernetzt das Team den Kunststoff, sodass im neuen Gerüst zahlreiche winzige Hohlräume entstehen. Anschließend führt eine Behandlung mit Schwefelsäure Sulfonsäuregruppen ein, an denen sich Wassermoleküle besonders gut anlagern können. Die chemische Verarbeitung gibt dem ursprünglichen Verpackungsmaterial somit eine große zugängliche Innenfläche und eine veränderte Oberflächenchemie. Während die Poren Platz für die Aufnahme bieten, beeinflussen ihre chemischen Eigenschaften, wie bereitwillig Wasserdampf aus der Umgebung dort haften bleibt.
Warum beide Eigenschaften zusammenpassen müssen, hatte die Arbeitsgruppe bereits an eigens hergestellten Polymernetzwerken untersucht. In dieser Vorarbeit in Nanoscale bauten Schweng, Lisa Pammer und Woodward verschiedene stickstoff-, sauerstoff- und schwefelhaltige Bestandteile in die Gerüste ein. Einige Varianten speicherten wesentlich mehr Wasser, begannen mit der Aufnahme aber weiterhin erst bei vergleichsweise hoher Luftfeuchtigkeit. Zusätzliche Sulfonatgruppen verbesserten dagegen auch das Verhalten in trockener Luft deutlich und machten die chemische Gestaltung der inneren Oberfläche zum wesentlichen Auswahlkriterium. Für die Materialwahl zählt neben dem maximalen Speichervermögen ebenso die Feuchte, ab der ein Stoff überhaupt brauchbare Mengen bindet.
Bei 30 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit erreichte das leistungsfähige Material eine Aufnahme von 0,19 Gramm Wasser je Gramm Adsorbens, also wasserbindendem Stoff. In sehr feuchter Luft mit 90 Prozent relativer Feuchtigkeit stieg die Aufnahme auf 0,57 Gramm pro Gramm. Als Bezugsgröße dient dabei die Masse des chemisch veränderten Materials unter den jeweiligen Messbedingungen. Für einen späteren Einsatz wäre zusätzlich zu ermitteln, wie viel davon in jedem Durchlauf tatsächlich zurückgewonnen wird. Ein Tagesertrag lässt sich aus einer solchen Speicherkennzahl allein noch nicht berechnen.
Zum Entladen genügt laut Universitätsmeldung mäßige Wärme; als mögliche Wärmequelle nennt das Team Sonnenlicht. Ein großer Teil der Aufnahme und Abgabe lief jeweils innerhalb ungefähr einer Stunde ab. Auch eine ausgewählte Mischung verschiedener Kunststoffabfälle ließ sich verarbeiten, was den Kreis der nutzbaren Rohstoffe erweitert. Für einen allgemeinen Umgang mit unsortiertem Müll wäre als nächster Vergleich zu prüfen, wie wechselnde Zusammensetzungen das Ergebnis beeinflussen. Wiederholte Aufnahme und Abgabe untersuchte die Gruppe ebenfalls; die langfristige Beständigkeit des Materials wird weiter geprüft.
Frühere Versuche zur Wassergewinnung aus Wüstenluft nutzten metallorganische Gerüste, in denen metallische Knotenpunkte mit organischen Bausteinen verbunden sind. In einem Versuchsaufbau des Massachusetts Institute of Technology lag dieses Material zwischen einer schwarzen, sonnenbeheizten Oberseite und einer kühleren unteren Fläche. Die Wärme setzte das gebundene Wasser als Dampf frei, der an der kühleren Fläche zu Flüssigkeit kondensierte.
Ein Team um den Berkeley-Chemiker Omar Yaghi erprobte einen solchen Ablauf später tatsächlich draußen in der kalifornischen Wüste. Sein Wassersammler mit dem Material MOF-303 gewann dort täglich zwischen 114 und 210 Gramm Wasser je Kilogramm eingesetztem Gerüstmaterial. Während des Feldversuchs schwankte die Lufttemperatur zwischen 21,9 und 60,7 Grad Celsius, sodass das Gerät unter stark wechselnden Bedingungen arbeitete. Nachts nahm eine offen liegende Kartusche Feuchtigkeit auf, tagsüber kam sie in ein isoliertes Gehäuse mit Kondensator. Ein Reflektor schirmte dessen Aluminiumflächen gegen direkte Sonne ab. Der Versuch verdeutlicht eine zusätzliche Anforderung an das Wiener Material: Es müsste in einer passenden Anordnung Luft und Wärme ausreichend gut erreichen lassen. Welche Bauform dafür am besten geeignet wäre, geht aus der Kunststoffarbeit noch nicht hervor.
Mit der Herstellung größerer Materialmengen hat die Wiener Gruppe bereits Erfahrung, allerdings bei einem anderen Ausgangsstoff. In einer separaten Arbeit verarbeiteten Schweng, Naryshkina, Ronald Glabonjat und Woodward Aktivkohle zu einem wasseranziehenden Adsorbens und erreichten eine Produktionsmenge von 1,6 Kilogramm. Dafür nutzten sie konzentrierte Schwefelsäure ohne zusätzliches Lösungsmittel und prüften das Produkt anschließend in einem Wassergewinnungsgerät über wiederholte Betriebszyklen. Die Versuche mit der behandelten Kohle reichten dabei bis zu einer relativen Luftfeuchtigkeit von zehn Prozent und Temperaturen von 45 Grad Celsius. Für Kunststoffabfälle wäre nun gesondert zu prüfen, ob größere Ansätze ebenso zuverlässig reagieren und ein gleichmäßig nutzbares Produkt liefern.
In einem dicht gefüllten Behälter kann der Weg der feuchten Luft ins Innere länger werden, während erwärmte Randbereiche bereits Wasser abgeben. Für den genannten Berkeley-Wassersammler untersuchten die Entwickler deshalb ausdrücklich die Anordnung der Materialschichten, die Wärmeverteilung und die Leistung des Kondensators. Bei Versuchen mit Kunststoffnetzwerken müssten Standort, Luftaustausch, nutzbare Wärme und die tatsächlich gesammelte Wassermenge gemeinsam vermessen werden.
Auch bei wasseranziehenden Gelen entscheidet die genaue Zusammensetzung darüber, ob ein leistungsfähiger Wasserfänger im Alltag brauchbar wird. Solche Materialien können hygroskopische Salze enthalten, die zusätzliche Feuchtigkeit anziehen. Das MIT-Team um Xuanhe Zhao setzte einem eigenen Gel Glycerin zu und passte dessen Mikrostruktur an, damit das Salz stärker im Material zurückgehalten wurde. Laut MIT lagen die gemessenen Salzkonzentrationen im gesammelten Wasser bei diesen Versuchen unter den herangezogenen Trinkwassergrenzwerten. Die schwarzen, gewölbten Gelstrukturen erinnerten an Luftpolsterfolie und vergrößerten die für feuchte Luft zugängliche Oberfläche des Materials. Für die Kunststoffnetzwerke wäre eine Prüfung des gewonnenen Wassers ebenso erforderlich, mit Analysen, die zu ihren jeweiligen Ausgangsstoffen und ihrer Herstellung passen.
Welche Rolle selbst die Kontaktflächen eines Geräts spielen, zeigt eine weitere Untersuchung an Polyacrylamid-Gelen mit Lithiumchlorid. In der Arbeit zur Langzeitstabilität von Hydrogelen verloren die Proben bei Kontakt mit Kupfer oder Kupferoxiden innerhalb von weniger als drei Wochen ihre mechanische Festigkeit. Eisen und die untersuchten Eisen- und Aluminiumoxide lösten diesen Effekt dagegen nicht aus. Eine Korrosionsschutzschicht auf dem Kupfer ermöglichte mehr als 190 Aufnahme- und Abgabezyklen über 96 Tage. Daraus ergibt sich für künftige Versuche mit anderen Wasserfängern eine konkrete Prüfaufgabe: Auch das Zusammenspiel von Adsorbens, Halterung und Wärmeaustauschfläche gehört in den Dauertest.
Für das Verfahren aus Kunststoffabfällen untersucht das Wiener Team inzwischen außerdem den gesamten Ressourcenbedarf. Offen ist dabei, welche Mengen an Chemikalien und Energie bei einer größeren Produktion je Kilogramm Wasserfangmaterial erforderlich wären. Zur Beurteilung einer späteren Nutzung müsste diese Herstellungsbilanz mit der über die Lebensdauer gesammelten Wassermenge verbunden werden. Erst eine solche Messreihe würde einen belastbaren Vergleich der Kosten pro gewonnenem Liter ermöglichen.
Chem Circularity, Upcycling waste aromatic polymers as adsorbents for atmospheric water harvesting; doi:10.1016/j.checir.2026.100175
Massachusetts Institute of Technology, Water, water everywhere … even in the air.
Massachusetts Institute of Technology, Window-sized device taps the air for safe drinking water.
Mit KI-Unterstützung erstellt
Wählen Sie Forschung und Wissen bei Google als bevorzugte Quelle oder folgen Sie uns per RSS-Feed.
