Graphen als Weg aus der Wasserknappheit
Mit ihrer innovativen Idee, den Werkstoff Graphen für häusliche Entsalzungsanlagen zu verwenden, gewann die Brasilianerin Nadia Ayad den ersten Preis bei der Sandvik Coromant Graphene Challenge im Frühjahr 2016.
Der Anstoß für Nadia Ayads Siegerbeitrag war die drohende Wasserknappheit. Die 23-jährige entwickelte ein Filtrierungs- und Entsalzungsgerät für Wohnhäuser auf der Basis von Graphen, das nicht nur Energie spart, sondern auch die Wasserreserven schont.
„Die Wasservorkommen sind nun mal begrenzt“, sagt sie. „Studien der UN zeigen, dass in einigen Regionen das Wasser bis 2040 oder 2050 sehr knapp sein wird. Deshalb müssen wir Wege finden, mit dem vorhandenen Wasser so umzugehen, dass es auch von späteren Generationen noch genutzt werden kann.“
Die von April bis Mai 2016 ausgeschriebene Graphene Challenge sollte eine Inspiration für die nächste Generation von Ingenieuren sein, innovative und nachhaltige Ideen zur Verwendung von Graphen in modernen Haushalten zu entwickeln. Nadia, in Rio de Janeiro geboren und Studentin für Werkstofftechnik am Technischen Militärinstitut (Instituto Militar de Engenharia), war sofort begeistert, als sie von dem Wettbewerb hörte. „Von Graphen hatten wir schon in den Vorlesungen gehört – ein faszinierendes Material mit interessanten Eigenschaften, das noch eine wichtige Rolle spielen wird, da bin ich mir sicher.
Ich fing an, mehr darüber zu lesen und nachzudenken, wie man es anwenden kann“, erzählt sie.
„Bisher war Graphen sehr teuer und deshalb für den Hausgebrauch nicht geeignet. Aber ich habe in Fachartikeln gelesen, dass es deutlich billiger wird.“
Für die Graphene Challenge hatte Nadia die Idee, Graphen als Filter für häusliche Entsalzungsgeräte zu verwenden. Mit dem Graphenfilter, sagt sie, funktioniere ihr Gerät schneller als alle anderen Geräte mit ähnlicher Bauweise.
Als Gewinnerin der Graphene Challenge wird Nadia im November nach Schweden reisen und den Hauptsitz von Sandvik Coromant in Sandviken sowie das Graphene Centre an der Chalmers University besuchen.
Angesichts der Wirtschaftskrise in Brasilien haben es viele ihrer Kommilitonen nach dem Abschluss schwer, einen Job zu finden. Nadia hingegen wollte schon immer in der akademischen Welt bleiben und sich irgendwann auf Biomaterialien und Gewebezüchtung spezialisieren.
„Ich mag die Medizintechnik“, sagt sie. „Ich will in der Lage sein, technische Ideen für die Entwicklung von Produkten heranzuziehen, die einen echten Unterschied machen und dazu beitragen, schwer heilbare Krankheiten zu besiegen.“
Außerdem ist Nadia davon begeistert, welche Rolle die Technik in der Zukunft spielen kann.
„Wir wissen, dass man Technik auf vielfache Weise nutzen kann, aber wir wissen auch, dass wir die Unterstützung der Menschen brauchen und dass unsere Technologien nachhaltig werden müssen“, sagt sie. „Wenn man den Fortschritt voranbringt und weiß, dass Fortschritt nachhaltig sein muss, dann muss unsere Technik dem gleichen Leitbild folgen. Und ich bin mir sicher, dass die Welt in Zukunft nachhaltiger sein wird, als sie es jetzt ist.“
Graphen als Entsalzungsmembran
Graphen Membranen können als Filtrierungsmaterial für die häusliche Abwasseraufbereitung verwendet werden, um Abwässer aus der Waschmaschine oder aus dem Küchenabfluss in Trinkwasser zu verwandeln. Dies würde den Energieverbrauch großer Wasseraufbereitungsanlagen senken und die Ausbeutung der natürlichen Wasservorräte vermindern.
Die Siegerlösung von Nadia Ayad
Nadia Ayad hat ihre Lösung im Teilnahmeformular für die Graphene Challenge wie folgt beschrieben:
Graphen entwickelt sich zu einem der verheißungsvollsten Materialien in der Wissenschaft. Seine bisher bekannten Eigenschaften sind vielfältig: Es ist dehnbar, transparent und supraleitend, und es hat die Fähigkeit, Gase und Flüssigkeiten Molekül für Molekül zu filtern, es bietet eine hohe Wärme- und Stromleitfähigkeit, es kann Licht in Energie umwandeln, und es ist 200-mal fester als Stahl mit dem gleichen Gewicht. Außerdem sinken die Herstellungskosten konstant: Forscher an der Universität Glasgow haben einen Weg gefunden, große Graphenbleche etwa 100-mal billiger als mit bisherigen Methoden zu produzieren.
Einer der spannendsten Anwendungsbereiche ist für mich der Einsatz als Filtermaterial. Wissenschaftler an der Universität Manchester haben Ergebnisse zu einer präzisen und ultraschnellen Siebung durch Membranen aus Graphenoxid veröffentlicht. Im trockenen Zustand erzeugt Graphen ein Vakuum. Wird feinporiges Graphen in Wasser eingetaucht, bildet sich schnell ein sehr hoher Durchfluss von zwei molekularen Einzelschichten aus Wasser und kleinen Ionen, der weitaus stärker ist, als es nur durch Diffusion zu erklären wäre. In Bezug auf die Separationseigenschaften ermöglicht eine große Kapillarkraft zudem eine präzise Durchdringung mit kleinen Ionen (weniger als neun Angström), während größere Ionen effektiv blockiert werden.
Hieraus entwickelte sich das Bestreben, die Möglichkeiten von Graphen als Entsalzungsmembran näher zu erforschen. Bislang wird für die Entsalzung das Prinzip der umgekehrten Osmose angewandt. Studien zufolge kann mit Graphen eine mindestens zehnmal höhere Durchflussrate als mit den besten Membranen für umgekehrte Osmose erreicht werden. Damit ließen sich die Energiekosten bei der Entsalzung erheblich senken.
Mit zunehmender Globalisierung geraten die Wasserreserven des Planeten an ihre Grenzen. Berechnungen zufolge leben ca. 40 Prozent der Weltbevölkerung in wasserarmen Regionen. Bis 2025 wird diese Zahl voraussichtlich bis auf 50–65 Prozent steigen. Im Jahr 2050 wird fast die Hälfte der Weltbevölkerung in Gebieten mit Wasserknappheit leben, während sich gleichzeitig 90 Prozent des Bevölkerungswachstums auf genau diese Regionen konzentrieren wird.
Um mehr Nachhaltigkeit in das häusliche Leben zu bringen, könnten Graphen Membranen als Filtrationsmaterial und zur Abwasseraufbereitung verwendet werden. Damit ließen sich Regenwasser oder Abwasser aus Waschmaschinen und Küchenabflüssen in Trinkwasser umwandeln. Haushalte in Küstennähe könnten außerdem Graphen Membranen zur Entsalzung nutzen und so die Kosten für die Frischwasserversorgung senken.
Die Ausstattung von Regenwasserspeichern oder häuslichen Abwasseraufbereitungsanlagen mit Membranen aus Graphenoxid würde den Energieverbrauch bei der Wasseraufbereitung senken und die natürlichen Wasserreserven schonen. Dies macht Graphen zu einem äußerst wichtigen Werkstoff auf dem Weg zu einer nachhaltigeren Welt.
