Ein Team von Ingenieuren an der University of Texas in Austin hat kürzlich eine innovative Jacke entwickelt, die Trinkwasser direkt aus der Luft sammeln kann, und gleichzeitig ein rekordverdächtiges solarbetriebenes atmosphärisches Wassersammelsystem auf den Markt gebracht, das Menschen ohne saubere Wasserquellen eine neue, tragbare Möglichkeit zur Wassernutzung bieten soll. Forscher sagen, dass diese Technologie besonders für Menschen geeignet ist, die längere Zeit in der Wildnis oder in Gebieten mit schwacher Infrastruktur verbringen, darunter Wanderer, Camper, Langstreckenläufer, Landarbeiter, Rettungskräfte und Militärpersonal.
Dieser „Wassermantel“ verwendet speziell entwickelte Textilmaterialien, die Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft absorbieren, den Wasserdampf entlang der Fasern in eine abnehmbare Auffangeinheit leiten und das Wasser dann erhitzen und über die faltbare Wasserauffangvorrichtung abgeben können, um schließlich sauberes Wasser zu erhalten, das direkt getrunken werden kann. Unter unterschiedlichen Luftfeuchtigkeitsbedingungen kann die Jacke etwa 400 bis 900 ml Trinkwasser pro Tag produzieren, was 14 bis 30 Flüssigunzen entspricht, und bietet so eine beträchtliche Versorgungskapazität für Einzelpersonen, um unterwegs Wasserquellen zu erhalten.
Yu Guihua, einer der Projektleiter und Professor am Department of Mechanical Engineering am Cockrell Institute of Technology und am Texas Materials Research Institute, wies darauf hin, dass man sich in der Vergangenheit die „Luft-Wasser-Extraktion“ normalerweise als feste Ausrüstung wie Kisten, plattenförmige Geräte oder große Adsorptionsbetten vorstellte, diese Forschung jedoch versucht, diese Art von Technologie formal vollständig zu „rekonstruieren“. Wenn Stoffe selbst Feuchtigkeit aus der Luft sammeln könnten, würde dies völlig neue Möglichkeiten und Anwendungen für die persönliche und tragbare Wassernutzung eröffnen.
Im Vergleich zu bestehenden Materialien, die atmosphärisches Wasser absorbieren, hat dieser neue Textiltyp eine etwa drei- bis zehnfache Verbesserung der Leistung im großen Maßstab erreicht. Der zentrale Durchbruch besteht nicht nur in der Verbesserung der Wasseraufnahmekapazität, sondern auch in der Neugestaltung des Wassertransportwegs in der Faser. Durch die gemeinsame Gestaltung von Struktur und Materialien ermöglichte das Forschungsteam die schnelle Umwandlung von Wasserdampf in der Luft in Flüssigkeit auf der Faseroberfläche und die anschließende effiziente Übertragung in das Innere des Stoffes, wodurch der Sprung vom Laborprototyp zum tragbaren System gelang.
Keith Johnston, Co-Autor des Projekts und Professor für Chemieingenieurwesen, wies darauf hin, dass der eigentliche Schlüssel in der Gestaltung dieses „schnellen Übertragungswegs“ liege und nicht einfach in der Herstellung eines zusätzlich wasserabsorbierenden Materials. Es ist dieses Übertragungssystem für Wasserdampf in den flüssigen Zustand und dann in das Gewebe, das es dem Material ermöglicht, in praktischen Anwendungen weitaus effizienter zu funktionieren als herkömmliche Lösungen und den Grundstein für die Expansion in weitere Produktformen wie Kleidung, Rucksäcke, Zelte und Notunterkünfte legt.
Das Forschungsteam gab an, dass es sich in Zukunft auf die Erforschung der Anwendung dieser Technologie in der Freizeitgestaltung im Freien, bei der Feldarbeit, bei der Katastrophenhilfe und in Gebieten mit Dürre oder schwacher Wasserversorgungsinfrastruktur konzentrieren werde, und bestrebt sei, tragbare Wasserentnahmegeräte zu einem ergänzenden Mittel zur Verbesserung der Wassersicherheit und -zugänglichkeit zu machen. In diesem Prozess wird die Frage, wie eine skalierbare Produktion, Haltbarkeit und Benutzerkomfort der Materialien bei gleichzeitiger Sicherstellung der Leistung erreicht werden können, eine wichtige Richtung für die nachfolgende Entwicklung sein.
Parallel zur Jacke entwickelte das Team auch ein solarbetriebenes tragbares atmosphärisches Wassergewinnungsgerät vor Ort und führte Feldtests in der heißen und trockenen Umgebung der Chihuahuan-Wüste in New Mexico und im feuchten Klima von Austin, Texas, durch. Testergebnisse zeigen, dass das System sowohl in trockenen als auch in halbfeuchten Umgebungen etwa 1,3 Liter oder 44 Flüssigunzen sauberes Trinkwasser pro Tag sammeln kann, was eine stabile Wasserproduktionsfähigkeit unter allen klimatischen Bedingungen beweist.
Berechnet auf der Grundlage der Materialausnutzung kann dieses System etwa 4,3 Liter Wasser pro Kilogramm absorbierendes Material pro Tag produzieren, was einer durchschnittlichen täglichen Wasserproduktion von etwa 1,1 Gallonen pro 2,2 Pfund Material entspricht und damit die in vielen früheren ähnlichen Studien gemeldeten Rekorde bricht. Guan Weixin, einer der ersten Autoren des Papiers, sagte, dass dies ein wichtiger Schritt in Richtung einer „praktischen atmosphärischen Wassersammlung“ sei. Die jahrelange Arbeit des Teams vom molekularen Design bis zum tatsächlichen Betrieb des Systems hat schließlich zu einem Durchbruch bei der Integration eines vor Ort einsetzbaren Geräts geführt.
Das Herzstück dieses Hochleistungs-Wasseraufnahmesystems ist ein spezielles Hydrogel-Gewebe aus aus Biomasse gewonnenen Materialien, das den Wasserdampfadsorptions- und -abgabeprozess bei geringem Energieverbrauch abschließt. Hydrogele können Wasserdampf in der Luft absorbieren, und wenn sie durch Sonnenlicht erhitzt werden, können sie das absorbierte Wasser abgeben und es dann durch Kondensation in flüssigem Wasser sammeln, wodurch Sonnenenergie genutzt wird, um einen vollständigen Wassersammelzyklus anzutreiben.
Das Forschungsteam weist darauf hin, dass diese Technologie in vielen der wasserärmsten Regionen der Welt ein hohes Anwendungspotenzial hat, beispielsweise in Teilen Nordafrikas, des Nahen Ostens, Südasiens und Afrikas südlich der Sahara, wo es oft schwierig ist, eine traditionelle zentralisierte Wasserversorgungsinfrastruktur aufzubauen und aufrechtzuerhalten. Durch diese textil- und gelbasierte verteilte Wasseraufnahmelösung haben abgelegene Gemeinden, Katastrophenhilfestandorte und Gebiete mit begrenzter Infrastruktur das Potenzial, Zugang zu einer Trinkwasserquelle zu erhalten, die keine komplexen Rohrnetze erfordert.
Relevante Ergebnisse wurden in den beiden Fachzeitschriften „Science Advances“ und „Nature Water“ veröffentlicht. Ersteres beschreibt die skalierbare hierarchische Textilfaserstruktur für die persönliche, tragbare atmosphärische Wassersammlung, und letzteres demonstriert den Entwurf und die Feldverifizierung eines tragbaren, solarbetriebenen, hochwertigen atmosphärischen Wassersammlungssystems unter verschiedenen Klimabedingungen. Das Forschungsteam ist davon überzeugt, dass sich das Zukunftsszenario, dass Menschen in wasserarmen Umgebungen „durch das Tragen von Kleidung an Trinkwasser gelangen“, mit zunehmender Reife und Anwendung dieser Materialien und Systeme allmählich von der Fantasie zur Realität wandelt.