Wüstenkäfer: eine Hilfe für den austrocknenden Planeten

Nikolaus-Kopernikus-Universität in Torun

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Bildnachweis: NCU/Anna Jaszczuk

Die Zahl der Wissenschaftler, deren Arbeit von natürlichem Verhalten inspiriert ist, wächst ständig. Die Lotusblume mit ihrer Fähigkeit zur Selbstreinigung wird in der Literatur häufig beschrieben und kann das beste Beispiel für diesen Trend sein. Die Forscher begannen sich zu fragen, warum sich die Blume so verhält, und beschlossen, ihre Struktur mithilfe von Mikroskopen zu untersuchen. Daraus konnten sie den Schluss ziehen, dass die Struktur stark hydrophob ist, also Wassertropfen auf der Oberfläche hält. Wasser sammelt dann Staubpartikel und entfernt sie durch Herunterfließen. Dies bedeutet, dass die Adhäsionskräfte, die für die Ansammlung von Wasser auf der Blüte verantwortlich sind, schwach sind, aber gleichzeitig kann sich Schmutz leicht an den Tröpfchen festsetzen, was zu einer Selbstreinigung führt. Aufgrund der Beobachtung wurden selbstreinigende Oberflächen wie lackierte Oberflächen, Dachziegel oder Textilien entwickelt.

Rosenblätter weisen jedoch eine andere Struktur auf. Ein Wassertropfen, der auf ein Blütenblatt fällt, dessen Oberfläche hydrophob ist, bleibt haften und fließt nicht herunter. Der Blütenblatteffekt ist mit der Entwicklung einer hydrophoben Oberfläche verbunden, die sich durch eine hohe Haftung auszeichnet.

Ein weiterer interessanter Fall sind Frösche, die über Decken laufen können. Hier stellt sich die Frage: Warum fällt es nicht von der Decke herunter, deren Oberfläche rau ist? Wissenschaftler beschlossen, die Struktur der Froschzehe zu untersuchen und zu reproduzieren. Jetzt wird eine ähnliche Lösung auf selbstklebende Umschläge angewendet. Der Kleber ist durch ein Papierband geschützt, das sich leicht abziehen lässt. Wenn der Kleber jedoch mit einer anderen Papiersorte in Kontakt kommt und der Umschlag geschlossen ist, lässt er sich nicht öffnen, ohne ihn aufzuschneiden.

Die Natur hat noch komplexere Systeme geschaffen. Um dies zu veranschaulichen, weist die Panzerstruktur des Wüstenkäfers einen doppelten Charakter auf, da sie sowohl hydrophil als auch hydrophob ist und es daher Bereiche gibt, die Wasser von der Oberfläche absorbieren und abstoßen. Aufgrund dieses Phänomens überleben Käfer in einer so lebensfeindlichen Umgebung wie der Wüste; An ihrer Panzerung bleibt nichts haften, insbesondere nasser Sand, und über den hydrophoben Bereichen sammelt sich Wasser, das ihnen das Trinken und Leben ermöglicht.

- Als ich einen Sender sah, sah ich eine Sendung, in der ein Käfer gezeigt wurde, der auf seinen Beinen stand und den Morgentau einfing. Das Insekt bekommt Wasser aus dem Nebel, sagt Dr. Hab. Joanna Kujawa Prof. NCU von der Fakultät für Chemie. - Da die restlichen Teile der Panzeroberfläche mit Wachs bedeckt sind, fließt Wasser nach unten und der Käfer kann es trinken und in einem so rauen Klima überleben.

Die Forscher fragten sich, wie sie die Lösung aus der Natur ins Labor übertragen könnten, da ein solches Phänomen bei der Membrandestillation zum Einsatz kommt. - In diesem Fall erfolgt die Aufnahme von Enzymen in die Membran durch Absorption, also durch eine gewisse Oberflächenadhäsion, nicht durch chemische Bindung - erklärt Prof. Dr. hab. Wojciech Kujawski von der Fakultät für Chemie, NCU. - Handelt es sich um eine physikalische Absorption, kann es leicht zu einer Desorption kommen, da die wirkenden Kräfte schwach sind.

Es geht darum, Membranen zu verstärken, die durch chemische Bindungen haltbarer sind. Membranen bauen sich mit der Zeit ab, allerdings langsamer als bei Membranen, die durch Auftragen einer weiteren Schicht entstehen. Die Verwendung von Chitosan hat sich als gute Lösung erwiesen, da das Material auf der Erde reichlich vorhanden und leicht verfügbar ist. Chitin, das leicht in Chitosan umgewandelt werden kann, kommt natürlicherweise in Schalen vor, beispielsweise in Garnelenschalen. Es gibt haufenweise Meeresfrüchteschalen und keine Ahnung, was man damit machen soll. Die Wissenschaftler aus Toru? behaupten, die Panzerstruktur des Käfers könne nachgeahmt und das gespeicherte Chitosan wiederverwendet werden, was eine komplexe Einstellung zu diesem Thema darstellt. Dies entspricht auch dem Zero-Waste-Trend.

Durch Chitosan fließt Wasser noch leichter nach unten und wirkt so wie Wachs auf dem Käferpanzer. Die Chemiker haben sich entschieden, Chitosan im hydrophilen Bereich anzubinden.

- Bei der Membrandestillation ist es erforderlich, dass die Membranoberfläche porös und hydrophob sein muss - erklärt Prof. Kujawa. Es gibt viele Beispiele für die Verwendung von Chitosan in Membranen, aber niemand hat es jemals durch chemische Bindungen verbunden. Es eröffnete uns eine neue Perspektive. Wenn wir Chitosan binden, bleibt es an Ort und Stelle; Daher wird die Verbindung stabil sein.

Die Wissenschaftler modifizierten zunächst Chitosan und befestigten es anschließend chemisch an der Membran. In der aktuellen Forschung haben sie zunächst die Membran modifiziert und dann Chitosan angebracht. Daher ist die Membran hydrophiler und es kann mehr Wasser durch sie hindurchtreten.

- Es ist schwierig, unsere Ergebnisse mit denen anderer Autoren zu vergleichen, da keine Artikel zu ähnlichen Themen veröffentlicht wurden - sagt Prof. Kujawa. - Forscher, die Chitosan physikalisch auf modifizierte Membranen auftrugen, beobachteten ebenfalls eine Verbesserung, jedoch nicht in einem solchen Ausmaß wie in unseren Studien. Dadurch können wir das Material an den gewählten Prozess anpassen.

Eine durch physikalische Modifikation entwickelte Membran ist nur für den einmaligen Gebrauch bestimmt, da Chitosan später abgewaschen (eluiert) wird. - Zur besseren Kenntnis haben wir einen Stabilitätstest von chemisch modifizierten Membranen durchgeführt, die zur Wasserentsalzung verwendet werden. Der Test wurde in zehn Zyklen über jeweils ein paar Tage durchgeführt – verrät Prof. Kujawa. - Wir haben leichte Veränderungen bemerkt, aber nichts ist kaputt gegangen.

Die Chemiker aus Toru? haben die Membranen auch auf ihre Fouling-Resistenz getestet. Die Studien wurden unter Verwendung von Fruchtsäften durchgeführt. Die Wechselwirkung des Fruchtfleisches mit der Membran führte zur Ansammlung von Rückständen auf der Oberfläche und zur Verstopfung der Poren, so dass die Membran nicht wiederverwendet werden konnte. Auf der Oberfläche mit Chitosan, das zusätzlich bakterizide Eigenschaften aufweist, kommt es jedoch zu völlig anderen Wechselwirkungen. Das Fruchtfleisch klebt nicht, und wenn es doch einmal passieren sollte, lässt es sich ganz einfach und ohne Chemie unter fließendem Wasser abwaschen. Die Lösung kann verschiedene praktische Anwendungen finden.

Die NCU-Chemiker haben mehrere Artikel zu diesem Thema verfasst. Die erste betraf die Einführung von modifiziertem Chitosan in eine Membran und wurde in Desalination veröffentlicht. Der nächste Artikel über die Einführung von Chitosan in eine modifizierte Membran wurde in ACS Applied Materials and Interfaces veröffentlicht.

Die Forschung wird in Zusammenarbeit mit einem ausländischen Partner, Prof. Samer Al-Gharabli vom Fachbereich Pharmazeutische und Chemieingenieurwesen, Deutsch-Jordanische Universität, Amman (Jordanien). - Im Rahmen dieser Zusammenarbeit führen wir gemeinsame Forschungen durch, die sich auf das Design und die Bildung der sogenannten „Smart Materials“ konzentrieren, bei denen es sich um intelligente Trennmaterialien mit kontrollierten Eigenschaften für ein breites Anwendungsspektrum handelt – sagt Prof. Kujawa.

- Aufgrund ihrer Entdeckungen wollen die Wissenschaftler Membranen entwickeln, die gleichzeitig Wasser transportieren und Salze oder andere Verunreinigungen noch effizienter zurückhalten. Es hängt offensichtlich mit der Wasserknappheit auf unserem Planeten zusammen - erklärt Prof. Kujawski. - In Polen werden wir mit dem Problem noch früher konfrontiert sein, als die größten Pessimisten erwarten. Vor einigen Jahren nahm ich an einem Seminar in Jordanien teil, bei dem ich die Aussage hörte, dass Wassermangel nicht aus der Perspektive unseres Staates, sondern aus der Perspektive einer kleinsten Verwaltungseinheit wahrgenommen werden sollte. Wenn man ein Land in kleinere Quadrate aufteilt, stellt man plötzlich fest, dass der Anteil der Bevölkerung, die von Wasserknappheit betroffen ist, rapide wächst. In Polen gibt es entlang der Flüsse Zugang zu Wasser, aber als ich vor 20 Jahren Zakopane besuchte, konnte ich die Leute sagen hören: „Sparen Sie Wasser, unsere Bäche trocknen aus.“ Die Brunnen sind verunreinigt, es gibt keine Süßwasserquellen, sodass das Problem der Austrocknung und des Absinkens des Grundwasserspiegels zunimmt.

Daher suchen Wissenschaftler nach verschiedenen Möglichkeiten der Trinkwassergewinnung. Derzeit dominieren Membrantechniken, insbesondere die Umkehrosmose.

Es handelt sich um das Umkehrdruckverfahren, bei dem nichtporöse Membranen verwendet werden. - Wir üben einen Druck von 60 bar aus und drücken Wasser durch sie hindurch - erklärt Prof. Kujawski. Der Prozess wird Umkehrosmose genannt, da bei einem typischen Osmosephänomen Wasser von einer verdünnten in eine konzentrierte Lösung umgewandelt wird. Dabei wird Wasser aus einer konzentrierten Lösung durch eine Membran gedrückt.

Derzeit sind Anlagen, die Wasser mittels Umkehrosmose erzeugen, gemäß den Gewässerschutzbestimmungen verpflichtet, Rückstände oder konzentrierte Salzlösung zu entsorgen. Früher befanden sich Anlagen am Meer und die Rückstände gelangten sofort wieder ins Wasser. Heutzutage müssen andere Lösungen für die Wiederverwendung von Kochsalzlösung gefunden werden. Es kann beispielsweise noch stärker konzentriert werden, sodass es zu kristallisieren beginnt. Das so hergestellte Salz kann in verschiedenen industriellen Prozessen verwendet werden, beispielsweise zur Chlor- oder Natriumhydroxidproduktion. In der Umgebung von Toru? wird in zwei großen Anlagen, in W?oc?awek und Inowroc?aw, Chlor aus Salzlösung hergestellt.

„Um Kochsalzlösung aufzubereiten, kann auch die umgekehrte Destillation eingesetzt werden, und dies ist ein Beispiel für unseren Umgang mit Käfern“, sagt Prof. Kujawski. Wir verwenden hydrophobe, poröse Membranen, die Flüssigkeiten von der Zufuhr- zur Aufnahmephase transportieren, und da Salz als solches nichtflüchtig ist, transportieren wir nur die Komponente, die durch die Membranporen verdampft werden kann.

Obwohl die Umkehrosmose die derzeit am häufigsten verwendete Membrantechnik ist, ist sie nicht problemlos. Als Auswirkung des Prozesses entsteht ein osmotischer Druck, der sehr hoch sein kann. Um die Umkehrosmose anzuwenden, müssen die Druckwerte höher sein als der osmotische Druck. Das bedeutet, dass am Anfang ein höherer Druck als der osmotische Druck ausgeübt werden muss, und das ist der Preis des Prozesses. Bei der Membrandestillation ist der energetische Aufwand jedoch deutlich geringer, da dem gesamten Prozess leicht unterschiedliche physikalisch-chemische Eigenschaften zugrunde liegen. Die Destillation ist besonders in Gebieten mit heißem Klima anwendbar, in Ländern wie Italien, Spanien und Griechenland, wo Sonnenkollektoren effektiv eingesetzt werden können. Wenn ein abseits gelegenes Hotel mit Wasser versorgt werden muss, kann auf dem Dach ein Solarpanel montiert werden. Das Panel erhitzt Wasser für die Membrandestillation. Dadurch wird einerseits der Ort mit Warmwasser versorgt und verteilt, andererseits wird kühles Wasser kondensiert. Daher lässt sich Trinkwasser kostengünstig herstellen, allerdings nur in begrenzten Mengen. Bei der Umkehrosmose sprechen wir von Millionen Litern pro Tag.

Darüber hinaus kann in Ländern, in denen der Zugang zu günstigen Energiequellen einigermaßen einfach ist, die sogenannte Elektrodialyse eingesetzt werden. Bei diesem Verfahren kommen spezielle Membranen zum Einsatz, die den Transport von Ionen, nicht aber von Wasser ermöglichen. Kationen bewegen sich zur Kathode, Anionen zur Anode und Wasser bleibt zurück.

Es gibt auch die sogenannte natürliche Osmose, die zur Abwasserreinigung und zum Wasserrecycling eingesetzt wird. Wasser durchdringt die Membran von der verdünnten bis zur konzentrierten Lösung. Als nächstes muss irgendwie Wasser aus der konzentrierten Lösung gewonnen werden, die während des Prozesses verdünnt wird. Zu diesem Zweck wird eine zusätzliche Methode verwendet.

Als Verfahren ist die Membrandestillation seit 50 Jahren bekannt. Obwohl es in den frühen 1970er Jahren die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler auf sich zog, wird es erst seit weniger als zwanzig Jahren kommerziell eingesetzt, und zwar nur in kleinen, wenig effizienten Anlagen zur Trinkwassererzeugung in Einfamilienhäusern oder Hotels. In Europa wird die Membrandestillation am intensivsten in Almeria (Spanien) erforscht. - In Spanien wird der Prozess mit Solarenergie betrieben - sagt Prof. Kujawski. - Die Spanier haben einen riesigen Spiegel, der Sonnenstrahlen sammelt und nicht nur Wasser, sondern auch Metalle erhitzt. Zum Heizen wird Wärme genutzt und zusätzlich die Effizienz unterschiedlicher Konfigurationen untersucht. Ich hatte vor ein paar Jahren die Gelegenheit, den Ort zu besuchen, und ich muss zugeben, dass er beeindruckend ist.

Chemiker können uns versichern, dass Menschen bereits Meerwasser trinken, nicht unbedingt in Polen, aber beispielsweise in Israel. Dort wurde das Umkehrosmoseverfahren zur Trinkwassergewinnung eingesetzt; Hotels auf den Malediven sind mit Anlagen zur Membrandestillation ausgestattet. - In Amerika gibt es immer noch Stämme, die einen nomadischen Lebensstil führen - sagt Prof. Kujawski. - Wissenschaftler einer Universität rüsteten einen Schulbus mit Sonnenkollektoren auf dem Dach und einem Membrandestillationssystem im Inneren aus. Sie reisen und produzieren Wasser für die Nomaden, die durch Gebiete ziehen, in denen das verfügbare Wasser mit Elementen wie Arsen verunreinigt ist.

Es muss betont werden, dass durch Membrandestillation gewonnenes Wasser destilliert wird und vor dem Verzehr einer Mineralisierung bedarf. Wie die Wissenschaftler scherzen, ist es nackt und muss angezogen werden.

Ob die Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser teuer ist, lässt sich nur schwer abschätzen. Es hängt alles davon ab, welche Mengen wir produzieren wollen und welche Technologie wir wählen. In den Ländern am Persischen Golf wurden thermische Methoden angewendet, die zunächst zur Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser entwickelt wurden und bei denen Meerwasser immer wieder verdampft und kondensiert wird. Der Prozess ist zwar sehr energieaufwändig, das Heizpotenzial in diesen Ländern ist jedoch enorm. Später, in den frühen 1960er Jahren, wurden erste Membranen entwickelt und bald darauf zur Filtration eingesetzt. - Sie müssen bedenken, dass wir, wenn es uns an Alkohol mangelt, versuchen werden, ihn zu bekommen, unabhängig vom Preis - fasst Prof. Kujawski zusammen.

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