MIT-Ingenieure haben ein superabsorbierendes Material synthetisiert, das selbst unter wüstenähnlichen Bedingungen eine Rekordmenge an Feuchtigkeit aus der Luft aufnehmen kann.
Da das Material Wasserdampf aufnimmt, kann es aufquellen und Platz für mehr Feuchtigkeit schaffen. Selbst unter sehr trockenen Bedingungen, bei 30 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit, kann das Material Dampf aus der Luft ziehen und die Feuchtigkeit speichern, ohne auszulaufen. Das Wasser könnte dann erhitzt und kondensiert und dann als hochreines Wasser gesammelt werden.
Das transparente, gummiartige Material besteht aus Hydrogel, einem natürlich saugfähigen Material, das auch in Wegwerfwindeln verwendet wird. Das Team verbesserte die Saugfähigkeit des Hydrogels, indem es es mit Lithiumchlorid versetzte – einer Salzart, die als starkes Trocknungsmittel bekannt ist.
Die Forscher fanden heraus, dass sie das Hydrogel mit mehr Salz anreichern konnten, als dies in früheren Studien möglich war. Als Ergebnis stellten sie fest, dass das mit Salz angereicherte Gel eine beispiellose Menge an Feuchtigkeit absorbierte und speicherte, und zwar über eine Reihe von Feuchtigkeitsniveaus hinweg, einschließlich sehr trockener Bedingungen, die andere Materialdesigns eingeschränkt haben.
Wenn es schnell und in großem Maßstab hergestellt werden kann, könnte das superabsorbierende Gel als passiver Wassersammler eingesetzt werden, insbesondere in der Wüste und in dürregefährdeten Regionen, wo das Material kontinuierlich Dampf absorbieren könnte, der dann zu Trinkwasser kondensiert werden könnte . Die Forscher stellen sich auch vor, dass das Material als energiesparendes Entfeuchtungselement in Klimaanlagen eingebaut werden könnte.
„Wir waren anwendungsunabhängig, in dem Sinne, dass wir uns hauptsächlich auf die grundlegenden Eigenschaften des Materials konzentrieren“, sagt Carlos Díaz-Marin, ein Doktorand des Maschinenbaus und Mitglied des Device Research Lab am MIT. „Aber jetzt erforschen wir ganz unterschiedliche Probleme, etwa wie man Klimaanlagen effizienter macht und wie man Wasser gewinnen kann. Dieses Material hat aufgrund seiner geringen Kosten und hohen Leistung so viel Potenzial.“
Díaz-Marin und seine Kollegen haben ihre Ergebnisse in einem Artikel veröffentlicht, der heute in erscheint Fortgeschrittene Werkstoffe. Die MIT-Co-Autoren der Studie sind Gustav Graeber, Leon Gaugler, Yang Zhong, Bachir El Fil, Xinyue Liu und Evelyn Wang.
„Beste aus beiden Welten“
Im Device Research Lab des MIT entwickeln Forscher neuartige Materialien, um die Energie- und Wasserprobleme der Welt zu lösen. Bei der Suche nach Materialien, die dabei helfen können, Wasser aus der Luft zu gewinnen, konzentrierte sich das Team auf Hydrogele – rutschige, dehnbare Gele, die größtenteils aus Wasser und etwas vernetztem Polymer bestehen. Hydrogele werden seit Jahren als absorbierendes Material in Windeln verwendet, da sie aufquellen und bei Kontakt mit dem Material große Mengen Wasser aufsaugen können.
„Unsere Frage war: Wie können wir das genauso gut hinbekommen, um Dampf aus der Luft zu absorbieren?“ Díaz-Marin sagt.
Er und seine Kollegen durchforsteten die Literatur und fanden heraus, dass andere mit dem Mischen von Hydrogelen mit verschiedenen Salzen experimentiert hatten. Bestimmte Salze, wie zum Beispiel das Steinsalz, das zum Schmelzen von Eis verwendet wird, absorbieren sehr effizient Feuchtigkeit, einschließlich Wasserdampf. Und das beste davon ist Lithiumchlorid, ein Salz, das mehr als das Zehnfache seiner eigenen Masse an Feuchtigkeit aufnehmen kann. Wenn Lithiumchlorid allein in einem Haufen verbleibt, könnte es Dampf aus der Luft anziehen, die Feuchtigkeit würde sich jedoch nur um das Salz herum ansammeln, ohne dass das absorbierte Wasser zurückgehalten werden könnte.
Deshalb haben Forscher versucht, das Salz in ein Hydrogel zu injizieren und so ein Material zu erzeugen, das sowohl Feuchtigkeit speichern als auch anschwellen kann, um mehr Wasser aufzunehmen.
„Es ist das Beste aus beiden Welten“, sagt Graeber, der heute leitender Forscher an der Humboldt-Universität zu Berlin ist. „Das Hydrogel kann viel Wasser speichern und das Salz kann viel Dampf einfangen. Daher liegt es auf der Hand, dass man beides kombinieren möchte.“
Zeit zum Laden
Das MIT-Team stellte jedoch fest, dass andere eine Grenze der Salzmenge erreichten, die sie in ihre Gele laden konnten. Die bisher leistungsstärksten Proben waren Hydrogele, die mit 4 bis 6 Gramm Salz pro Gramm Polymer infundiert waren. Diese Proben absorbierten unter trockenen Bedingungen bei 30 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit etwa 1,5 Gramm Dampf pro Gramm Material.
In den meisten Studien hatten Forscher zuvor Proben synthetisiert, indem sie Hydrogele in Salzwasser einweichten und darauf warteten, dass das Salz in die Gele eindrang. Die meisten Experimente endeten nach 24 bis 48 Stunden, da die Forscher feststellten, dass der Prozess zu langsam war und nicht sehr viel Salz in die Gele gelangte. Als sie die Fähigkeit des resultierenden Materials, Wasserdampf zu absorbieren, testeten, saugten die Proben nur sehr wenig auf, da sie von vornherein wenig Salz enthielten, um die Feuchtigkeit aufzunehmen.
Was würde passieren, wenn die Materialsynthese beispielsweise Tage oder sogar Wochen andauern könnte? Könnte ein Hydrogel noch mehr Salz aufnehmen, wenn man ihm genügend Zeit lässt? Um eine Antwort zu finden, führte das MIT-Team Experimente mit Polyacrylamid (einem gewöhnlichen Hydrogel) und Lithiumchlorid (einem superabsorbierenden Salz) durch. Nach der Synthese von Hydrogelröhrchen durch Standardmischmethoden schnitten die Forscher die Röhrchen in dünne Scheiben und ließen jede Scheibe in eine Lithiumchloridlösung mit einer anderen Salzkonzentration fallen. Sie nahmen die Scheiben jeden Tag aus der Lösung, um sie zu wiegen und die Salzmenge zu bestimmen, die in die Gele eingedrungen war, und gaben sie dann wieder in ihre Lösungen zurück.
Am Ende stellten sie fest, dass Hydrogele mit zunehmender Zeit tatsächlich mehr Salz aufnahmen. Nach 30-tägigem Einweichen in salziger Lösung bauten die Hydrogele bis zu 24 Gramm ein, gegenüber dem vorherigen Rekord von 6 Gramm Salz pro Gramm Polymer.
Anschließend unterzog das Team verschiedene Proben der salzhaltigen Gele Absorptionstests unter verschiedenen Feuchtigkeitsbedingungen. Sie fanden heraus, dass die Proben bei allen Feuchtigkeitsniveaus aufquellen und mehr Feuchtigkeit aufnehmen konnten, ohne dass es zu Undichtigkeiten kam. Vor allem berichtet das Team, dass die Gele bei sehr trockenen Bedingungen von 30 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit „rekordverdächtige“ 1,79 Gramm Wasser pro Gramm Material auffingen.
„Jede Wüste hätte nachts eine so niedrige relative Luftfeuchtigkeit, dass dieses Material möglicherweise Wasser in der Wüste erzeugen könnte“, sagt Díaz-Marin, der nun nach Möglichkeiten sucht, die superabsorbierenden Eigenschaften des Materials zu beschleunigen.
„Die große, unerwartete Überraschung war, dass wir mit einem so einfachen Ansatz die bisher höchste gemeldete Dampfaufnahme erzielen konnten“, sagt Graeber. „Das Hauptaugenmerk wird nun auf der Kinetik liegen und darauf, wie schnell wir das Material dazu bringen können, Wasser aufzunehmen. Dadurch können Sie dieses Material sehr schnell zirkulieren lassen, sodass Sie, anstatt nur einmal am Tag Wasser zurückzugewinnen, vielleicht 24 Mal am Tag Wasser ernten können.“ Tag.“
Diese Forschung wurde teilweise vom US-amerikanischen Amt für Energieeffizienz und erneuerbare Energien und dem Schweizerischen Nationalfonds unterstützt.
