Material, das Wasser aus der Wüstenluft gewinnen kann

Die Gewin­nung von Trinkwass­er aus der Luft in der Wüste mag wie Sci­ence-Fic­tion klin­gen, ist aber schneller möglich, als wir denken. Die Lösung liegt in ein­er neuen Mate­ri­alk­lasse mit außergewöhn­lichen Eigen­schaften — met­al­lor­gan­is­che Gerüste (MOF), die immer mehr in aller Munde sind. An der Chalmers Uni­ver­si­ty of Tech­nol­o­gy gibt es Forsch­er mit führen­der Exper­tise auf diesem Gebiet.
Met­al­lor­gan­is­che Gerüste (MOF) taucht­en in den 1990er Jahren auf, und heute haben Chemik­er etwa 80 000 MOF mit unter­schiedlichen Eigen­schaften hergestellt — eine einzi­gar­tig schnelle Entwick­lung. Eine Gruppe von Forsch­ern unter der Leitung von Pro­fes­sor Lars Öhrström und Dr. Fran­coise Amom­bo Noa an der Fakultät für Chemie und Chemiein­ge­nieur­we­sen der
Chalmers, befasst sich seit vie­len Jahren mit diesem Gebi­et und wird häu­fig als Experte auf inter­na­tionaler Ebene engagiert.
“Met­al­lor­gan­is­che Gerüste sind ein­er unser­er vielver­sprechend­sten Bere­iche für die Entwick­lung viel­er nach­haltiger tech­nis­ch­er Lösun­gen, die die Welt braucht. Aber hier geht es um mehr als um Anwen­dun­gen. Es han­delt sich um eine grundle­gende Rev­o­lu­tion in der Art und Weise, wie wir den fes­ten Zus­tand betra­cht­en”, sagt Lars Öhrström.

Hervorragende Eigenschaften zum Einfangen und Trennen von Substanzen

Ein MOF ist eine feste, poröse Sub­stanz, die aus Met­al­lio­nen beste­ht, die mit organ­is­chen Molekülen zu einem Net­zw­erk ver­bun­den sind — eine moleku­lare Ver­sion des Mod­ell­bausatzes Mekano.
Die Net­zw­erke haben große innere Löch­er, in die man Dinge hine­in­steck­en und her­aus­nehmen kann, was ihnen sehr gute Eigen­schaften zum effizien­ten Auf­fan­gen oder Tren­nen ver­schieden­er Stoffe ver­lei­ht. Forsch­er sehen ein großes Poten­zial für den Ein­satz von den Gerüsten in vie­len ver­schiede­nen wichti­gen Bere­ichen, wie z. B. bei der Bio­gasspe­icherung, der Kohlen­diox­id­ab­schei­dung, der kon­trol­lierten Abgabe von Medika­menten — der so genan­nten Drug Deliv­ery — und bei der Ver­nich­tung chemis­ch­er Waffen.
In jüng­ster Zeit hat die kom­merzielle Nutzung von MOF-Mate­ri­alien begonnen, um tox­is­che Gase zu spe­ich­ern, die in der Elek­tron­ikin­dus­trie ver­wen­det wer­den, und in Form von so genan­nten Kristallschwäm­men für Forschungsan­wen­dun­gen in der phar­mazeutis­chen Industrie.

Große Fortschritte für die Technologie in einer neuen Studie

Ein Bere­ich, in dem diese Gerüste zu ein­er rev­o­lu­tionären Entwick­lung beitra­gen kön­nen, ist die Gewin­nung von Wass­er aus der Wüsten­luft. In diesem Zusam­men­hang wirken sie wie ein Schwamm, in den Wass­er leicht hinein­schlüpfen und dann in den Hohlräu­men des Mate­ri­als gespe­ichert wer­den kann. Das Prob­lem, mit dem die Forsch­er zu kämpfen haben, ist, dass es viel Energie braucht, um das Wass­er freizuset­zen. Amerikanis­che und deutsche Forsch­er haben es nun geschafft, ein Gerüst dazu zu brin­gen, das Wass­er bei ein­er um 10 Grad niedrigeren Tem­per­atur als bish­er freizuset­zen, und kon­nten im Detail zeigen, wie die Wasser­moleküle aufge­fan­gen wer­den. Die Studie, die vor kurzem in der Fachzeitschrift Sci­ence veröf­fentlicht wurde, stellt einen großen Fortschritt auf diesem Gebi­et dar. Lars Öhrström wurde zusam­men mit sein­er Kol­le­gin Fran­coise Amom­bo Noa ein­ge­laden, die Arbeit als Experten in einem Artikel zu kom­men­tieren, der in der gle­ichen Aus­gabe von Sci­ence veröf­fentlicht wurde.

“Bis­lang ist diese Tech­nolo­gie nur im Pilot­maßstab ver­füg­bar, aber voll entwick­elt kön­nte sie die Gewin­nung von Trinkwass­er in Wüstenge­bi­eten ermöglichen. Die Kon­se­quen­zen, die sich daraus ergeben kön­nen, sind sog­ar noch größer. Tech­nolo­gien, die es uns ermöglichen, Phasenübergänge von Wass­er von Gas zu Flüs­sigkeit zu nutzen, sind in allen Bere­ichen von Bedeu­tung, von der Entsalzung von Meer­wass­er bis zur Kon­trolle des Innen­raumk­li­mas in Gebäuden.”
— Lars Öhrström

In einem neu ges­tarteten Pro­jekt wird seine Forschungs­gruppe zusam­men mit Kol­le­gen an der Schwedis­chen Uni­ver­sität für Agrar­wis­senschaften (SLU) MOF:s entwick­eln, um Wass­er von umweltschädlichen hochflu­o­ri­erten Sub­stanzen (PFAS) zu reinigen.
Die Forsch­er in Chalmers tra­gen auch dazu bei, das Wis­sen über MOF:s in einem bre­it­eren Kon­text zu ver­bre­it­en. Im Auf­trag der Amer­i­can Chem­i­cal Soci­ety ACS haben Lars Öhrström und Fran­coise Amom­bo Noa ein Lehrbuch geschrieben, das sich an Mas­ter­stu­den­ten und Dok­toran­den richtet und let­ztes Jahr veröf­fentlicht wurde. Eine weit­ere Gruppe, die sehr von diesem Wis­sen prof­i­tieren kön­nte, sind Forsch­er, die eher in Bere­ichen arbeit­en, in denen Sie ein großes Poten­zial für diese Gerüste sehen, wie z. B. im Bauwe­sen und in der Biotechnologie.
Bevor sie in großem Maßstab einge­set­zt wer­den kön­nen, müssen sich die Forsch­er mit ihrer manch­mal gerin­geren ther­mis­chen und chemis­chen Sta­bil­ität befassen. Um dieses Prob­lem anzuge­hen, hat die Gruppe in Chalmers in Zusam­me­nar­beit mit Kol­le­gen der Uni­ver­sität Göte­borg, der Uni­ver­sität Upp­sala, der Uni­ver­sität Süd­däne­mark und der Fir­ma Rigaku in Deutsch­land unter­sucht, wie sich das Design der Net­zw­erke auf die Eigen­schaften auswirkt, und MOFs ent­deckt, bei denen die Met­al­lio­nen­net­zw­erke die Form von Schicht­en haben. Sie stell­ten ihre Ergeb­nisse in einem Artikel vor, der im ver­gan­genen Som­mer in der Fachzeitschrift Chem veröf­fentlicht wurde.
“Wir schla­gen eine neue Strate­gie für sta­bilere Gerüste vor und hof­fen, dass die Studie zu einem drin­gend benötigten Fortschritt in der Entwick­lung dieses Bere­ichs beitra­gen wird”, so Fran­coise Amom­bo Noa.