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Auch heute noch ist sauberes Wasser für viele Menschen auf der ganzen Welt ein Privileg. Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation (WHO) trinken mindestens 1,8 Milliarden Menschen Wasser, das mit Fäkalien verunreinigt ist, und bis 2040 wird ein grosser Teil der Welt unter Wassermangel leiden, weil die Trinkwasserressourcen nicht ausreichen. Nach Angaben des Kinderhilfswerks der Vereinten Nationen (UNICEF) sterben jeden Tag rund 1800 Kinder an Durchfall, weil sie unsauberes Wasser trinken, was zu Krankheiten wie Cholera führt.
Daher müssen wir unbedingt effiziente und kostengünstige Methoden zur Dekontaminierung von Wasser entwickeln. Und genau das hat ein Team von Forschenden unter der Leitung von László Forró an der EPFL mit einem neuen Wasserreinigungsfilter erreicht, der Titandioxid (TiO2)-Nanodrähte und Kohlenstoff-Nanoröhren kombiniert und nur durch Sonnenlicht betrieben wird.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigen zunächst, dass die TiO2-Nanodrähte allein in der Lage sind, Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht effizient zu reinigen. Durch die Verflechtung der Nanodrähte mit Kohlenstoffnanoröhrchen entsteht jedoch ein Verbundmaterial, das eine zusätzliche Dekontaminationsschicht bildet, indem es das Wasser pasteurisiert und so Krankheitserreger wie Bakterien und die bedeutendsten Viren abtötet.
Wenn UV-Licht – aus dem sichtbaren Spektrum des Sonnenlichts – auf den Filter trifft, erzeugt dieser eine Gruppe von Molekülen, die als reaktive Sauerstoffspezies (ROS) bezeichnet werden. Dazu gehören Wasserstoffperoxid (H2O2), Hydroxid (OH) und Sauerstoff (O2-), die bekanntermassen Krankheitserreger wirksam abtöten.
Die Forschenden testeten ihr Gerät mit E. Coli, Bakterien, dem «Goldstandard» für bakterielle Überlebensstudien, aber es sollte auch mit anderen bakteriellen Krankheitserregern funktionieren, wie Campylobacter Jejuni (ein in den Industrieländern weit verbreiteter Erreger von Durchfallerkrankungen), Giardia Lamblia (ein Mikroorganismus, der die Darminfektion Giardiasis verursacht), Salmonellen, Cryptosporidium (verursacht die Durchfallerkrankung Kryptosporidiose), dem Hepatitis-A-Virus und Legionella Pneumophila (verursacht die Legionärskrankheit). Das Gerät ist aussergewöhnlich gut in der Lage, alle Krankheitserreger aus dem Wasser zu entfernen, und zeigt vielversprechende Ergebnisse auch bei der Beseitigung von Mikroverunreinigungen wie Pestiziden, Arzneimittelrückständen, Kosmetika usw.
Filter- und Sterilisationsprozess des Wasserreinigungsgeräts. Links ist ein Beispiel für Mikroorganismen zu sehen, die üblicherweise Trinkwasser verunreinigen. Die Krankheitserreger werden an der Oberfläche des Filters auf der Basis eines Nanodraht-Kohlenstoffnanoröhrchen-Verbunds gefangen. Rechts ist dargestellt, wie UV-Licht reaktive Sauerstoffspezies auf der Oberfläche des Filters erzeugt. Bildrechte: Horváth et al.
«In enger Zusammenarbeit mit Chemikern, Physikerinnen und Biologen haben wir ein sehr effizientes Wasserreinigungsgerät entwickelt, das keine andere Energiequelle als das Sonnenlicht benötigt», sagt Forró, «unser Prototyp kann selbst an abgelegenen Orten sauberes Trinkwasser für kleine Bevölkerungsgruppen liefern und liesse sich leicht skalieren. Ein grosser Erfolg und ein wichtiges ‹Nebenprodukt›󠅒 dieses Projekts ist, dass es eine grosse Anzahl talentierter und motivierter Studierender angezogen hat, die sich für Umweltfragen und Nachhaltigkeit interessieren.»
In ihrem Artikel, der in der Nature-Partnerzeitschrift npj Clean Water veröffentlicht wurde, stellen die Forschenden einen Prototyp des Filters vor und machen Vorschläge für weitere Verbesserungen: «Ich bin davon überzeugt, dass das Projekt in den unterschiedlichsten wissenschaftlichen Kreisen und hoffentlich auch bei den Geldgebern auf grosses Interesse stossen wird», sagt Endre Horváth, leitender Wissenschaftler des Projekts.