Südkoreanische Solaranlage zur Entsalzung erreicht 3,4 Liter pro Stunde ohne Strom

Eine hocheffiziente Solardestille aus Korea

Ein Forschungsteam am Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) in Südkorea hat eine solarbetriebene Entsalzungsanlage entwickelt, die unter einer Sonne eine Verdunstungsrate von 3,4 Litern pro Quadratmeter und Stunde erreicht. Der Prototyp verwandelt Meerwasser ohne externe Stromversorgung in Trinkwasser. Dazu nutzt er Sonnenlicht und ein fortschrittliches photothermisches Material namens La0.7Sr0.3MnO3. Die Anlage löst außerdem eines der größten Probleme der solaren Entsalzung: Salzablagerungen auf der Verdampferoberfläche, die das Licht blockieren und die Leistung beeinträchtigen. Indem das gelöste Salz aus der heißen Mitte zu den Rändern geleitet wird, kann das System über längere Zeit arbeiten und dabei sauberen Wasserdampf erzeugen, der zu Flüssigkeit kondensiert werden kann.

Die Arbeit unter Leitung von Professor Ji Hyun Jang von der School of Energy and Chemical Engineering der UNIST wurde in Advanced Energy Materials veröffentlicht. Sie verbindet eine einfache Dochtstruktur aus Papier mit einer hocheffizienten photothermischen Oberfläche. In Haltbarkeitstests lief die Anlage zwei Wochen lang stabil in Salzlösungen mit einem Salzgehalt von 20 Prozent. Das ist deutlich mehr als der Salzgehalt von 3,5 Prozent in typischem Meerwasser. Laut dem Team lässt sich mit demselben Design auch eine Rückgewinnung von Ressourcen ermöglichen: Salz kann an den Rändern auskristallisieren und gesammelt werden, statt konzentrierte Salzlake zurück ins Meer zu leiten.

Das Interesse an passiver solarer Entsalzung nimmt zu, da immer mehr Regionen unter Wasserknappheit leiden. Milliarden Menschen haben keinen verlässlichen Zugang zu sicher aufbereitetem Trinkwasser. Küstengemeinden sind häufig auf dieselbetriebene Umkehrosmoseanlagen angewiesen, deren Betrieb teuer ist und große Mengen Salzlake erzeugt. Ein modulares System, das allein mit Sonnenlicht und bei geringem Wartungsaufwand Frischwasser produziert, könnte kritische Lücken in abgelegenen Dörfern, auf Inseln und in landwirtschaftlichen Betrieben sowie bei Katastropheneinsätzen schließen. Die Anlage der UNIST zielt genau auf diesen Bedarf: Sie setzt auf einfache Materialien, eine ausgeklügelte Geometrie und Sonnenlicht statt auf aufwendige Infrastruktur mit hohem Durchsatz.

So funktioniert die Anlage

Das UNIST-Design nutzt einen ungewöhnlich geformten, umgekehrten L-förmigen Verdampfer mit saugfähigem Papier. Das Papier funktioniert ähnlich wie Lackmuspapier und zieht Meerwasser durch Kapillarwirkung nach oben. Am oberen Ende des senkrechten Abschnitts befindet sich eine lichtabsorbierende photothermische Schicht aus La0.7Sr0.3MnO3, einem Perowskitoxid, das einfallendes Sonnenlicht hocheffizient in Wärme umwandelt. Sobald das Meerwasser diese heiße Oberfläche erreicht, verdunstet es schnell und lässt das Salz zurück. Der Wasserdampf strömt anschließend zu einer kühleren Oberfläche, wo er kondensiert und als flüssiges Frischwasser gesammelt wird.

Ein wichtiges Merkmal ist die Fließrichtung. Das Team entwickelte eine gerichtete Flüssigkeitsströmung über die heiße Oberfläche, die einen Salzkonzentrationsgradienten erzeugt. Gelöste Ionen wandern zu Bereichen mit geringerer Wasseraktivität nahe den Rändern und kristallisieren dort als festes Salz aus, wo sie das Licht nicht abschirmen. Dieser Selbstreinigungseffekt hält die zentrale photothermische Zone für Sonnenlicht frei und sammelt Salz an den Rändern, wo es entfernt oder wiederverwendet werden kann. Die Geometrie und der Strömungsweg übernehmen den größten Teil der Arbeit. Pumpen, Membranen und häufiges manuelles Reinigen werden dadurch weniger nötig.

Warum das Material La0.7Sr0.3MnO3 besonders ist

Das Herzstück der Anlage ist La0.7Sr0.3MnO3, kurz LSMO. Es ist ein Perowskitoxid und gehört zu einer Materialklasse, deren optische und elektrische Eigenschaften sich gezielt anpassen lassen. Anders als die bleihaltigen Halogenid-Perowskite, die in Solarzellen häufig zum Einsatz kommen, besteht LSMO aus Lanthan, Strontium und Mangan und kommt ohne flüchtiges oder giftiges Blei aus. Damit eignet es sich besonders für Anwendungen im Wasserbereich, bei denen Stabilität und Umweltverträglichkeit entscheidend sind.

LSMO ist ein besonders effizienter photothermischer Wandler, weil es angeregte Ladungsträger unter Sonnenlicht auf besondere Weise verarbeitet. Vereinfacht gesagt bildet das Material Fangzustände innerhalb seiner elektronischen Struktur. Wenn Licht Elektronen in höhere Energiezustände hebt, rekombinieren viele von ihnen, ohne Licht abzugeben. Stattdessen setzen sie ihre Energie direkt als Wärme frei. Dieser nichtstrahlende Prozess, auch Thermalisierung genannt, wandelt einen großen Teil der einfallenden Sonnenenergie direkt an der Oberfläche in Wärme um. Die effiziente Wärmeabgabe lässt die Temperatur schnell steigen und beschleunigt so die Verdunstung bei gleicher Sonneneinstrahlung.

Das Salzproblem lösen

Salzablagerungen bremsen die solare Entsalzung seit Langem aus. Wenn Wasser verdunstet, steigt die Konzentration der gelösten Salze, bis sie schließlich auf der heißen Oberfläche auskristallisieren. Die Kristalle streuen das Licht und behindern die Wärmeübertragung, wodurch die Verdunstungsrate stark sinkt. Viele frühere Systeme liefen zwar mehrere Stunden gut, mussten dann aber gereinigt oder zum Ausspülen der Salze angehalten werden. Das UNIST-Team begegnet dieser Herausforderung mit einer durchdachten Geometrie und kontrollierter Strömung statt mit komplexen Beschichtungen oder beweglichen Teilen.

Die umgekehrte L-Form und die gerichtete Strömung erzeugen einen stetigen Salzgradienten, der Ionen aus der hellsten und heißesten Zone wegführt. An den Rändern, wo sie leicht gesammelt werden können, bilden sich Kristallkeime und wachsen zu Kristallen heran. In Labortests funktionierte die Anlage zwei Wochen lang zuverlässig, selbst in stark salzhaltigen Lösungen mit insgesamt 20 Prozent gelösten Salzen. Diese Konzentration ist typisch für Salzlake aus industriellen Prozessen und liegt weit über dem Salzgehalt des offenen Meeres. Das deutet auf eine große Leistungsreserve für den Betrieb mit Meerwasser sowie auf mögliche Anwendungen bei der Aufkonzentrierung von Salzlake und der Rückgewinnung von Ressourcen hin.

Leistungsdaten im Vergleich

Die angegebene Verdunstungsrate beträgt unter einer Sonne 3,40 Kilogramm pro Quadratmeter und Stunde. Eine Sonne bezeichnet eine standardisierte Sonneneinstrahlung von etwa einem Kilowatt pro Quadratmeter. Viele passive Solardestillen erreichen bei vergleichbaren Tests rund 0,3 bis 0,4 Kilogramm pro Quadratmeter und Stunde. Der UNIST-Prototyp arbeitet damit acht- bis zehnmal schneller. Die tägliche Wassermenge hängt in der Praxis von der Sonneneinstrahlung am jeweiligen Standort über den gesamten Tag und von der Effizienz des Kondensators ab, der den Dampf wieder in Flüssigkeit verwandelt. Bei mehreren Stunden starker Sonneneinstrahlung könnte ein Modul mit einem Quadratmeter Fläche und der angegebenen Leistung mehrere Dutzend Liter am Tag liefern. Mit Anlagen aus mehreren Modulen ließe sich die Menge weiter steigern.

Es ist wichtig, zwischen Verdunstungsrate und tatsächlich gewonnenem Trinkwasser zu unterscheiden. Der im Labor gemessene Wert gibt an, wie viel Masse pro Stunde als Dampf von der heißen Oberfläche entweicht. In realen Anlagen muss fast der gesamte Dampf aufgefangen und in einem sauberen Behälter kondensiert werden, während Wärmeverluste möglichst gering bleiben. Ein guter Kondensator, eine wirksame Wärmedämmung und die Wiederverwendung latenter Wärme können die Gesamtleistung der Anlage näher an die Verdunstungsrate heranbringen. Das UNIST-Team verweist außerdem auf die Antifouling-Eigenschaften der Anlage als wichtigen Grund für die gleichmäßige Leistung: Eine saubere photothermische Oberfläche erhält sowohl die Lichtabsorption als auch die Wärmeentwicklung über längere Zeit aufrecht.

Vergleich mit herkömmlichen Entsalzungsverfahren

Die Umkehrosmose ist das vorherrschende moderne Entsalzungsverfahren. Dabei wird Meerwasser unter hohem Druck durch feinporige Membranen gepresst, um große Mengen Frischwasser für Städte und Industrie zu erzeugen. Diese Leistung hat ihren Preis. Die Umkehrosmose verbraucht pro Kubikmeter erzeugtem Wasser mehrere Kilowattstunden Strom, erfordert eine Vorbehandlung zum Schutz der Membranen und erzeugt konzentrierte Salzlake, die verantwortungsvoll entsorgt werden muss. Die Anlagen erfordern hohe Investitionen und sind in der Regel ans Stromnetz oder an eigens dafür vorgesehene Energiequellen angeschlossen.

Ein passiver Solarverdampfer wie das UNIST-System kommt ohne Druck, Pumpen und hohen Strombedarf aus. Pro Zeiteinheit und Flächeneinheit erzeugt er weniger Wasser, kann aber netzunabhängig, leise und mit geringerem Wartungsaufwand betrieben werden. Dass sich die Salzkristalle gezielt an den Rändern bilden lassen, verringert außerdem die Menge an Salzlake. In geeigneten Klimazonen könnte eine Anlage mit mehreren modularen Verdampfern Haushalte, Gesundheitsstationen oder landwirtschaftliche Betriebe mit Trinkwasser versorgen. Größere Anlagen könnten den Bedarf ganzer Gemeinden decken. Für Städte dürfte die solare Verdunstung eher eine Ergänzung als ein Ersatz für Anlagen mit hohem Durchsatz sein: als zuverlässige Reserve oder als Lösung für abgelegene Stadtviertel am Rand des Stromnetzes.

Anwendungsbereiche und Einsatzmöglichkeiten

Die Anlage ist für Orte gedacht, an denen die Stromversorgung begrenzt und Wartungspersonal knapp ist. Inselgemeinden, Fischerdörfer und Küstenbetriebe in der Landwirtschaft passen in dieses Profil. Gleiches gilt für humanitäre Einsätze nach Stürmen, Erdbeben oder Konflikten, wenn die Wasserinfrastruktur ausfällt. Das Konzept ist modular: Es lässt sich für einen geringen Bedarf als Einzelmodul oder für höhere Anforderungen in Gruppen einsetzen. Der leise Betrieb und der Verzicht auf Hochdrucktechnik machen die Anlage auch für Schulen und Gesundheitsstationen geeignet, wo Zuverlässigkeit und Sicherheit besonders wichtig sind.

Da das Design das Salz zu den Rändern leitet, kann das System auch zur Rückgewinnung von Ressourcen eingesetzt werden. Statt konzentrierte flüssige Salzlake abzuleiten, können Betreiber trockenes Salz und andere auskristallisierte Mineralien sammeln. Das kann die Umweltbelastung verringern und zusätzliche Einnahmen in kleinem Umfang ermöglichen. Das Team hat Varianten vorgeschlagen, bei denen mehrere umgekehrte L-förmige Verdampfer zu größeren Modulen zusammengefasst werden. Das könnte die Installation und Wartung vor Ort erleichtern.

Skalierung und technische Herausforderungen

Für den Übergang von Laborprototypen zu Anlagen für den praktischen Einsatz müssen Materialien, Fertigung und Wärmemanagement sorgfältig berücksichtigt werden. Der Papierdocht des Verdampfers muss monatelangem Wechsel zwischen Nass- und Trockenphasen, Bewuchs durch Meeresorganismen und UV-Strahlung standhalten. Die photothermische Oberfläche muss Lichtabsorption und Wärmeumwandlung möglichst ohne Leistungsverlust beibehalten. LSMO ist ein Perowskitoxid mit guter thermischer Stabilität, was dabei hilfreich ist. Auch die Fertigungsmethoden sind für die Kosten entscheidend. Verfahren, mit denen sich große Flächen bei niedrigen Temperaturen gleichmäßig beschichten lassen, können die Kosten senken und die Wiederholbarkeit verbessern.

Kondensation und Wärmerückgewinnung sind entscheidend für die Effizienz des Systems. Jedes Kilogramm Dampf enthält eine große Menge latenter Wärme. Konstruktionen, bei denen der Dampf an Oberflächen kondensiert, die Wärme mit dem einströmenden Meerwasser austauschen, können diese Energie zurückgewinnen und die Gesamtleistung steigern. Gehäuse sollten Wärmeverluste und das Entweichen von Dampf begrenzen und zugleich leicht zu reinigen sein. Staub, Sprühwasser und Salzkristalle müssen sich mit einfachen Reinigungsroutinen beseitigen lassen. Die Haltbarkeitstests des Teams bei sehr hohem Salzgehalt stimmen zuversichtlich. Mehrmonatige Versuche in Küstengebieten werden jedoch dazu beitragen, die Langzeitbeständigkeit und den Wartungsbedarf zu belegen. Partnerschaften mit Hilfsorganisationen und lokalen Versorgungsbetrieben können solche Tests unterstützen und helfen, das Design an unterschiedliche Klimazonen anzupassen.

Klima- und Nachhaltigkeitsaspekte

Für netzferne Standorte bietet die solare Entsalzung klare Vorteile fürs Klima. Sie ersetzt Strom durch Sonnenlicht und vermeidet den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen von Dieselgeneratoren. Die Auswirkungen über den gesamten Lebenszyklus bleiben dennoch wichtig: von der Gewinnung von Lanthan und Strontium bis zur Herstellung der Absorber und Gehäuse. Langlebige Materialien und eine einfache Montage können die Betriebsdauer verlängern und den bei der Herstellung anfallenden CO2-Ausstoß auf viele Jahre verteilen. Der Verzicht auf Hochdruckpumpen senkt sowohl den Energieverbrauch als auch den Lärm, wovon Küstengemeinden und Wildtiere profitieren.

Die Abfallströme unterscheiden sich von denen herkömmlicher Anlagen. Indem das Salz an den Rändern auskristallisiert, kann der UNIST-Ansatz die Einleitung konzentrierter Salzlake in küstennahe Gewässer verringern. Wo es möglich ist, kann das gesammelte Salz in industriellen Prozessen wiederverwendet oder sicher in Salinen zurückgeführt werden. Das steht im Einklang mit Bemühungen, die Entsalzung besser mit dem Schutz mariner Ökosysteme zu vereinbaren, und mit den globalen Entwicklungszielen für sauberes Wasser und Sanitärversorgung. Angesichts zunehmender Dürren und Hitzewellen durch den Klimawandel werden praktische Technologien, die reichlich vorhandenes Meerwasser mit minimalem Energieaufwand in sicheres Trinkwasser verwandeln, für viele lokale Anpassungspläne wichtig werden.

Das Wichtigste

• UNIST-Forschende haben eine solarbetriebene Entsalzungsanlage ohne Strom entwickelt, die unter einer Sonne 3,40 Kilogramm pro Quadratmeter und Stunde erreicht.
• Das Design nutzt einen Papierdocht und eine umgekehrte L-förmige Geometrie, um Meerwasser zu einer photothermischen Oberfläche zu leiten.
• Die photothermische Schicht besteht aus La0.7Sr0.3MnO3, einem Perowskitoxid, das Sonnenlicht durch nichtstrahlende Rekombination in Wärme umwandelt.
• Eine gerichtete Strömung transportiert das Salz zu den Rändern und verringert so Ablagerungen und die Abschirmung der heißen Mitte vor Licht.
• Haltbarkeitstests zeigten einen zweiwöchigen stabilen Betrieb in Lösungen mit 20 Prozent Salz, also einem höheren Salzgehalt als in normalem Meerwasser.
• Typische passive Solardestillen liefern 0,3 bis 0,4 Kilogramm pro Quadratmeter und Stunde. Die angegebene Rate ist damit etwa acht- bis zehnmal höher.
• Das Konzept ermöglicht die Gewinnung von Salz und verringert im Vergleich zu vielen herkömmlichen Verfahren den Ausstoß flüssiger Salzlake.
• Anlagen aus mehreren Modulen könnten netzunabhängig Dörfer, Gesundheitsstationen, Inseln und Katastropheneinsätze mit Wasser versorgen.
• Die Forschung wurde in Advanced Energy Materials veröffentlicht. Geleitet wurde sie von Professor Ji Hyun Jang; Erstautor ist Dr. Saurav Chaule.
• Feldversuche, die Auslegung des Kondensators und eine skalierbare Fertigung werden über Leistung und Kosten im praktischen Einsatz entscheiden.