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Es scheint sich paradox anzuhören, doch in polaren Regionen, den Welten von Eis und Schnee, ist die Wasserversorgung ein Problem. Besonders die tiefen Temperaturen sind verantwortlich dafür, dass Bewohner von polaren Stationen und Gemeinden eine kosten- und energieintensive Infrastruktur aufrechterhalten müssen, um Wasser flüssig halten zu können. Zwei Forschungsteams an der Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften entwickeln nun eine Methode, wie dieses Problem in Zukunft gelöst werden könnte.
Das Prinzip ist eigentlich sehr einfach: Wasser wird mit einem kommerziell erhältlichen Lipid (Phytantriol) vermischt, das den Gefrierpunkt auf bis zu -120°C senkt. Die flüssigkristalline Phase der Mischung ist pumpbar und damit auch in kalten Regionen ohne aufwendiges Warmhalten von Tanks oder Röhren lager- und in hydraulischen Netzwerken transportierbar. Zur Rückgewinnung des Wassers wird die Phase in eine einfache Destillationsanlage gepumpt, aus der Wasserdampf und das Lipid getrennt ausgeschieden werden. Das Lipid wird anschliessend zurück in die Mischanlage gefördert. Der Wasserdampf wird durch Abkühlung verflüssigt und kann im Gebäude direkt verwendet werden. Im Sinne der Nachhaltigkeit wird das benutzte Wasser gereinigt und wieder der Mischanlage zugeführt, wo es mit dem zuvor extrahierten Phytantriol erneut zu einer Mesophase kombiniert wird. Dieses Prinzip haben zwei Forschungsteams der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften in enger Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Raffaele Mezzenga und Dr. Yang Yao vom Laboratory of Food and Soft Materials der ETHZ, sowie Sirin Orbital Systems AG, einer auf innovative Raumfahrttechnologien spezialisierten Firma aus Zürich, entwickelt und untersucht. Das Ergebnis wurde in der Fachzeitschrift Journal of Aerospace Engineering veröffentlicht.
Kernelemente des Vorschlags wurden von Dr. Marius Banica vom Institute of Energy Systems and Fluid-Engineering IEFE und von Jan Inauen vom Institute of Materials and Process Engineering IMPE konzeptualisiert und auf ihre Machbarkeit getestet. «Wir waren ursprünglich von Dr. Madi angefragt worden, um für ein Raumfahrtprojekt der European Space Agency ESA ein Mesophasen-basiertes Konzept für die Wasserversorgung einer bemannten Mondstation zu entwickeln», erklärt Dr. Banica gegenüber PolarJournal. «Dort sollte Wasser möglichst mit wenig Energieaufwand und kostengünstig gelagert und transportiert werden, was durch die tiefen Temperaturen erschwert wird», fügt Jan Inauen an.
Beide Institute sind Teil der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften in der Schweiz, wo rund 14’000 Studierende und rund 3’600 Mitarbeiter neben Lehre, Forschung und Entwicklung auch Dienstleistungen in Zusammenarbeit mit der Industrie anbieten. Das IEFE unter der Leitung von Professor Dr. Frank Tillenkamp beispielsweise arbeitet an der Entwicklung von erneuerbaren Energien, Speichern und energieeffizienten Systemen, Verfahren, Prozessen und auch Anlagen in den Bereichen der elektrischen und thermischen Systeme. Speziell der Kältetechnik ist ein eigenes Forschungsteam gewidmet. Auf der anderen Seite beschäftigen sich die rund 50 Mitarbeiter des IMPE, welches von Dr. Rene Radis geleitet wird, mit Werkstoff- und Verfahrenstechnologien. Sie erforschen in den Themengebieten der Hochleistungswerkstoffe, modernen Verarbeitungs- und Fügetechnologien, innovativen Oberflächentechniken und der nachhaltigen Verfahrenstechnik.
Die Arbeitsgruppen orientierten sich für ihre Methode an zwei früher von Prof. Dr. Mezzenga und seinem Team an der ETHZ, sowie Forschenden an der Universität Zürich, veröffentlichten Arbeiten. Darin fanden die Teams heraus, dass Wasser bei sehr tiefen Temperaturen im Flüssigzustand gehalten werden kann, wenn es mit einem passend entworfenen Lipid gemischt wird. Die Ursache dafür sind sogenannte soft Nanoconfinement-Effekte. Später erweiterte die Gruppe das Konzept um den Einsatz von Phytantriol, einem weithin verfügbaren aliphatischen Alkohol, um den Flüssigzustand bei Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt aufrecht zu erhalten. Sie zeigten auch wie dieses im kryogenen Nanoconfinement vorliegende Wasser genutzt werden kann, um enzymatische Reaktionen bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts ablaufen zu lassen, was mit reinem Wasser nicht möglich ist.
Auf diesem wissenschaftlichen Fundament entwickelten Dr. Banica und Jan Inauen weitere Anwendungskonzepte und fanden heraus, dass das Wasser mittels Destillation sehr einfach wieder aus der Mesophase herauslösbar ist. Der während des Prozesses entstehende Wasserdampf wird dazu in einer Röhre wieder abgekühlt und auskondensiert, während das gallertartige Phytantriol komplett rückgewonnen werden kann. Das Wasser wird weiterverwendet und das Phytantriol zur Wiederverwendung in die Mischanlage zurücktransportiert. «Phytantriol ist perfekt dafür geeignet, denn der Stoff ist nicht toxisch, nicht flüchtig, nicht korrosiv und vor allem schwer entzündbar», sagt Jan Inauen. «Ausserdem ist er sehr einfach und kostengünstig verfügbar und muss nur einmal zur Anlage transportiert werden. Wir glauben, dass er danach beliebig oft eingesetzt werden kann.»
Kernelemente der Technologie wurden im Kleinen und mit verhältnismässig wenig Aufwand in den Räumlichkeiten der beiden Institute getestet. Auch den möglichen Energieaufwand konnten die beiden Forschungsteams abschätzen. Beispielsweise wären für das Lebenserhaltungssystem einer 10-köpfigen Besatzung einer Mondstation weniger als 41 kW nötig, um das Gemisch zwischen den externen Tanks und den Räumlichkeiten zirkulieren zu lassen. Durch weitere Verbesserungen der Architektur, beispielsweise mittels Einsatzes von Wärmetauschern und Nutzung von Restwärme zu Heizzwecken, könnte sich dieser Energieaufwand weiter verringern. «Unsere Methode ist nicht sehr energieaufwändig», erklärt Marius Banica. «Sogar mit Solar- und/oder Windkraftanlagen kann das System mit genügen Energie betrieben werden.» Im Vergleich zum Energieaufwand, der zur Beheizung von Wasserrohren, die von Tanks und Wasserquellen kommen, notwendig ist, fallen die rund 50 kW Gesamtenergieaufwand also kaum ins Gewicht und verleihen der Methode ein grosses Mass an Nachhaltigkeit.
Ein weiterer solcher Aspekt ist die Tatsache, dass das Wasser nach seiner Nutzung in einer Wasseraufbereitungsanlage gereinigt und anschliessend wiederverwendet werden könnte. «Theoretisch ist es sogar möglich, wieder Trinkwasser daraus herzustellen,» fügt Dr. Banica an. «Doch dafür müssen sich wahrscheinlich viele erst noch überwinden und dem System sehr grosses Vertrauen schenken, denn das gereinigte Wasser käme aus Duschen oder anderen Orten.»
Um nun das Projekt im grösseren Massstab zu testen, wollen die beiden Teams ein grösseres System entwickeln, welches dann auch im Feld getestet werden kann. Dazu soll das SLF-Forschungslabor auf dem Jungfraujoch in der Schweiz dienen. «Der alpine Bereich ist ideal, um einen ersten Testlauf durchführen zu können», sind beide überzeugt. Sollte dies erfolgreich sein, wäre der nächste Schritt in Richtung Arktis oder Antarktis, wo Forschungsstationen oder arktische Gemeinden direkt von einer Technologie profitieren könnten, die zwar ursprünglich ausserirdisch geplant war, nun aber ein sehr irdisches Problem lösen könnte.
Dr. Michael Wenger, PolarJournal