Cornell University-Forschungsteam nutzt ultra-schwarze Wolle für Meerwasserentsalzungstechnologie

Laut neuesten wissenschaftlichen Prognosen könnte bis 2050 fast die Hälfte der städtischen Bevölkerung weltweit keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser haben, ein Anstieg von 50 % im Vergleich zu 2016. Forscher der Cornell University suchen nach einer unerwarteten Lösung: inspiriert von den tiefschwarzen Federn der am tiefsten schwarzen Vogelart der Welt. Ein Team unter der Leitung von Larissa Shepherd, Assistenzprofessorin für Menschzentriertes Design an der Cornell University, hat eine erstaunliche Entdeckung gemacht: Mit Dopamin gefärbte Wolle, einschließlich einer ultra-schwarzen Version, die von der prächtigen Riflebird inspiriert ist, kann Meerwasser allein durch Sonnenlicht reinigen.

Diese Studie, geleitet von Kyuin Park, der zuvor in Shepherds Labor für responsive Bekleidung arbeitete, wurde im Fachjournal "Advanced Science" veröffentlicht.

Technisches Prinzip der mit Dopamin gefärbten Wolle

Dopamin ist ein von Melanin inspiriertes Polymer, dem Pigment, das Muscheln ihre dunkle Farbe verleiht. Diese Verbindung kann stark mit anderen Materialien binden und nahes Infrarotlicht absorbieren, das direkt in Wärme umgewandelt wird. Shepherds Labor hatte zuvor mit Dopamin gefärbte Wolle verwendet, kombiniert mit durch Plasmaätzen erzeugten lichtabsorbierenden Nanofasern, um ein rekordverdächtiges ultra-schwarzes Material zu schaffen, das die Federn des Riflebird imitiert. In dieser Studie wandte das Team das gleiche Material auf ein anderes Problem an: die Meerwasserentsalzung. Sie verwendeten eine Technik namens Grenzflächensonnendampferzeugung (interfacial solar vapor generation), bei der spezielle Materialien teilweise ins Wasser eingetaucht werden, die Sonnenwärme nutzen, um ihre Oberfläche zu erhitzen und diese direkt in Dampf umzuwandeln.

Der Dampf kondensiert anschließend zurück zu trinkbarem Wasser und lässt den größten Teil des ursprünglichen Salzgehalts zurück.

Umweltvorteile der Wolle

Shepherd erklärt, dass die biologische Abbaubarkeit der Wolle diese Methode von vielen bestehenden Entsalzungsmaterialien unterscheidet. Im Gegensatz zu auf Kunststoff basierenden Systemen hinterlässt Wolle bei ihrem Abbau keine Mikroplastik oder andere langlebige Rückstände. Die Forscher testeten die Leistung von drei Wollstrukturen in drei physikalischen Konfigurationen, darunter eine horizontale, die flach auf der Wasseroberfläche liegt, eine einseitig vertikale und eine beidseitig vertikale, die Spiegel verwendet, um beide Seiten des Materials gleichzeitig zu beleuchten. Die beidseitig vertikale Konfiguration schnitt am besten ab, wobei die ultra-schwarz gefärbte Wolle in dieser Konfiguration 2,43 Kilogramm Wasser pro Quadratmeter Stoff pro Stunde einfing.

Nur mit Dopamin gefärbte Wolle ohne zusätzliche ultra-schwarze Behandlung erreichte 2,21 Kilogramm pro Quadratmeter Stoff pro Stunde. Diese beiden Zahlen sind fast das Doppelte der traditionellen horizontalen Verdunstungsanordnung.

Darüber hinaus ist das Material resistent gegen Salzverunreinigungen, ein häufiger Schwachpunkt von Solardestillationssystemen, und zeigt eine kontinuierliche Leistung von 10 Stunden, ohne dass Salzablagerungen die Leistung beeinträchtigen. Laut Shepherd liegt der Salzgehalt des gewonnenen Wassers weit unter den Trinkwasserstandards der Weltgesundheitsorganisation. Shepherd weist darauf hin, dass die nur mit Dopamin gefärbte Wolle bereits gute Leistungen erbringt, sodass der zusätzliche Schritt des Plasmaätzens nicht immer die zusätzliche Mühe wert ist. Um den ultra-schwarzen Effekt zu erzielen, ist dieser zusätzliche Schritt jedoch erforderlich. Sie merkt jedoch an, dass dieser zusätzliche Verdunstungsvorteil im Laufe eines ganzen Jahresbetriebs sich als lohnend erweisen könnte.

Sobald die grundlegende Dopaminbehandlung abgeschlossen ist, ist die ultra-schwarze Färbung ein relativ moderater zusätzlicher Schritt. Zukünftige Forschungen werden die gefärbte Wolltechnologie direkt an Regenwasser und Abwasser testen und die Konstruktion verbessern, um das gewonnene gereinigte Wasser tatsächlich zu sammeln.

Potenzielle Auswirkungen der ultra-schwarzen Wolltechnologie

Mit der zunehmenden Verknappung der Wasserressourcen weltweit bietet die Forschung der Cornell University eine innovative Lösung. Die Verwendung von mit Dopamin gefärbter Wolle zur Meerwasserentsalzung kann nicht nur die Effizienz der Wassereinfangung erheblich erhöhen, sondern auch umweltfreundliche Eigenschaften aufweisen und die durch traditionelle Materialien möglicherweise verursachte Mikroplastikverschmutzung vermeiden. Die erfolgreiche Anwendung dieser Technologie könnte tiefgreifende Auswirkungen auf das zukünftige Wasserressourcenmanagement und die nachhaltige Entwicklung haben, insbesondere im Hinblick auf die Herausforderungen von Klimawandel und Bevölkerungswachstum.