Sauberes Trinkwasser zum kleinen Preis

Membranen zur Reinigung von Trinkwasser funktionieren vom Prinzip her wie ganz normale Filter. Von der einen Seite her wird das Schmutzwasser gegen die dünne Plastikhaut gepresst. Größere Partikel hält die Membran zurück, während das Wasser durch winzig kleine Kanälchen auf die andere Seite strömt. Wie diese Poren genau aussehen, hat großen Einfluss darauf, wie viel Wasser in einer bestimmten Zeit hindurch gepresst werden kann. Und genau dieses Design will Benjamin Hsiao von der State University New York in Stony Brook verbessern.

"Das ist ein vollkommen neues Konzept für Membranen mit hohem Durchfluss, die sich zur Reinigung von Wasser eignen. Seit dreißig Jahren hat sich der innere Aufbau von solchen Membranen nicht verändert. Normalerweise haben sie eine dünne poröse Schicht, die wie ein Küchenschwamm aussieht. Die haben wir ersetzt durch Nanofasern, die sich sehr kostengünstig herstellen lassen."

Diese Fasern liegen kreuz und quer auf einer eher groben Filtermatte, die eigentlich nur für Stabilität sorgt. Das ungeordnete Geflecht erinnert an Spinnweben, wie sie von Hauswinkelspinnen zurück gelassen werden. Oben auf diese Matte tragen die Chemiker um Benjamin Hsiao dann eine dünne Schicht auf, zum Beispiel aus Cellulose, die als eigentliche Barriere dient. Solch ein Aufbau hat den Vorteil, dass die Membran genauso gut trennt wie kommerzielle Produkte, aber zehnmal mehr Wasser im selben Zeitraum passieren lässt – wegen der relativ großen Poren in der Faserschicht.

"Wenn man einen zehnfach höheren Fluss erreicht, dann kann man auch genauso gut stattdessen nur ein Zehntel an Energie aufbringen. Man braucht dann keine große Pumpe mehr. Eine Handpumpe genügt, oder sogar einfach die Schwerkraft."

Solche Membranen eigenen sich deshalb auch besonders für Entwicklungsländer, wo die Technik einfach und preiswert sein muss.

"Preiswert in mehrerer Hinsicht: Weil der Energieverbrauch niedrig ist, kostet auch der Betrieb solch einer Membranlage sehr wenig. Und das Material selbst kann günstig hergestellt werden, zum Beispiel um Bakterien aus Wasser heraus zu filtern. Das kann weltweit Milliarden von Menschen retten."

Ein anderer Forscher, der sich mit Nanofasern für die Trinkwasseraufbereitung beschäftigt, ist Darrell Reneker von der University of Akron in Ohio. Er hat Pionierarbeit geleistet auf dem Gebiet der Herstellung solcher feinen Fasergeflechte, dem so genannten Elektrospinning: Dabei wird ein Kunststoff in einer Flüssigkeit aufgelöst, so dass ein honigartiger Sirup entsteht. Der lässt sich von einem starken elektrischen Feld zu feinen Fäden auseinander ziehen, die dann das spinnwebenartige Gebilde formen, welches hervorragende Eigenschaften für die Filtration besitzt.

"Mit dieser Technik entstehen Fasern, die dünner sind als alle kommerziell erhältlichen Produkte. Ihre Oberfläche ist sehr groß im Verhältnis zum Gewicht. Eine hohes Oberflächenverhältnis ist entscheidend für viele Anwendungen in der Filtration und der Wasseraufbereitung."

Außerdem lassen sich die Durchmesser über ein großes Spektrum variieren. Vom Nanometer-bis zum Mikrometermaßstab ist alles möglich. Dadurch ergeben sich besonders stabile Strukturen, die hierarchisch geordnet sind.

"Beim Elektrospinning entstehen aus den dicken Fasern viele verschiedene Arten von Schleifen. Manche davon sind klein genug für unsere Zwecke. Wir erschaffen eine Schicht aus vielen solcher Schleifen aus dicken Fasern und bringen darauf dann eine zweite Schicht aus dünnen Nanofasern. Und das wird die Methode sein, so denken wir, die uns dabei helfen wird, unsere Strukturen zu optimieren."

Im Labor funktioniert das alles schon ohne Problem. Die Herausforderung wird nun sein, aus den Membranen praxistaugliche Module zu bauen.