Plasmonen entsalzen Meerwasser

  • 26. April 2016

Poröse Membran aus Aluminium steigert Wasser­ver­dunstung im Sonnen­licht.

Lichtwellen können auf Nanostrukturen, die kleiner als die Wellen­länge sind, effi­zient Plasmonen anregen. Diesen Effekt nutzten jetzt Jia Zhu und seine Kollegen von der Nanjing University in China, um Meer­wasser über die Absorption von Sonnen­licht zu ver­dunsten und ent­salztes Kondens­wasser zu gewinnen. Sie fertigten eine stark poröse Struktur auf Aluminium­basis und stellten daraus eine kleine, solare Entsalzungs­anlage her. Erste Test­läufe zeigen, dass sich mit diesem Ansatz kleine Wasser­mengen aus­reichend für einzelne Personen auf­bereiten lassen.

Entsalzung mit Plasmonen

Abb.: Nanostrukturen aus Aluminium und Aluminium­oxid haben eine hohe Porö­sität und absor­bieren Sonnen­licht über die Er­zeugung von Plas­monen so effi­zient, um über Ver­duns­tung Meer­wasser ent­salzen zu können. (Bild: J. Zhu et al., Nanjing U.)

„Das ist die erste Demonstration für eine plasmonisch verstärkte Ent­salzungs­methode“, sagt Jia Zhu. Im Unter­schied zu anderen Ent­salzungs­methoden ist das Modul klein, trag­bar und für die persön­liche Versor­gung mit Wasser geeignet. Herz­stück der Anlage ist eine stark poröse Membran. Für die Her­stellung behan­delten die Forscher zuerst eine dünne Aluminium­folie mit Phosphor­säure. Dabei entstand eine poröse Schicht mit zahl­reichen Poren mit etwa drei­hundert Nano­metern Durch­messer. Auf diese Schicht schieden Zhu und seine Kollegen aus der Dampf­phase wenige Nano­meter kleine Nano­partikel aus Aluminium ab, so dass sich bis in die Poren hinein selbst­organisiert eine etwa 85 Nano­meter dünne Schicht aus­bildete. Dabei oxi­dierten die Nano­partikel an ihrer Ober­fläche eben­falls zu Aluminium­oxid.

Dieses schwarze Material ist so leicht, dass es mühelos auf Salz­wasser schwimmt. Es absorbiert einge­strahltes Sonnen­licht sehr effi­zient und erreicht einen hohen Absor­ptions­grad von mehr als 96 Prozent des gesamten Sonnen­spektrums. Dank der Anregung von Plasmonen im Material, heizt es sich lokal schnell auf achtzig bis knapp hundert Grad Celsius auf und steigerte so die Verdun­stungs­rate des Wassers. Der Dampf konden­siert in einer kleinen Kammer, trink­bares Wasser mit einem sehr geringen Salz­gehalt tropft in ein Reservoir.

In weiteren Versuchen ermittelten die Wissen­schaftler die Aus­beute an entsalztem Meer­wasser. Mit vier­fach konzen­triertem Sonnen­licht beleuchtet, verduns­teten stünd­lich knapp sechs Liter Wasser pro Quadrat­meter. Zum Vergleich: Ganz ohne die poröse Aluminium­membran verdun­stete weniger als die Hälfte des Wassers. Für den Test­lauf verwen­deten die Forscher Wasser­proben mit unter­schied­lichen Salz­anteilen zwischen einem und zehn Prozent, ent­sprechend der Salz­anteile etwa in der Ost­see oder im Toten Meer. Das verdun­stete und danach wieder konden­sierte Wasser zeigte in allen Fällen sehr geringe Salz­konzen­tra­tionen und war als Trink­wasser geeignet.

Um die Effizienz der Lichtabsorption genauer erklären zu können, simu­lierten die Forscher das photo­elek­tro­nische Verhalten der porösen Aluminium­membran. Die Berech­nungen zeigen, dass dank der kleinen Struk­turen Licht­wellen über das gesamte Sonnen­spektrum vom Ultra­violetten bis ins Infra­rote sehr effi­zient absor­biert werden. Die Energie wird dabei zu etwa neunzig Prozent in Schwingungen der Elek­tronen und schließ­lich in Wärme umge­wandelt.

Aufbauend auf diesen Versuchen könnten nun kleine, mobile Ent­salzungs­module ent­wickelt werden, die mit den nano­porösen Aluminium­schichten für eine dezen­trale Trink­wasser­ver­sorgung genutzt werden könnten. Aller­dings funktio­nieren die Module nur etwa 25 Verduns­tungs­zyklen. Doch halten es die Forscher für möglich, die Lang­lebig­keit der Schichten in Zukunft weiter zu steigern. Da die einge­setzten Materialien günstig verfüg­bar sind, können sich die Forscher dann einen breiten Einsatz ihrer Ent­salzungs­methode für den privaten Gebrauch vor­stellen.

Jan Oliver Löfken

RK

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