Diese neue Erfindung benötigt lediglich Zugang zu verschmutztem Wasser, also im Grunde zu jeder offenen Wasserquelle, und je mehr Sonne, desto besser. Eine externe Stromquelle ist nicht erforderlich. Das klingt nach einem Lebensspender für die entlegeneren Regionen dieser Welt, an denen der Zugang zu sauberem Wasser auch in der heutigen Zeit noch ein Problem darstellt.

Fotokatalysatoren brauchen sauberes Wasser – dieser nicht

Dabei ist der Prozess nicht neu. Nach dem Prinzip der fotokatalytischen Wasserspaltung ist es schon bisher möglich, Geräte zu bauen, die Sonnenlicht direkt in speicherbaren Wasserstoff umwandeln. Typischerweise wird für diese Prozesse aber sauberes Wasser benötigt. Zudem findet die Installation entsprechender Geräte als stationäre Anlage statt.

Beides kann in bestimmten Regionen der Welt problematisch sein. Überdies ist sauberes Wasser eine wertvolle Ressource an sich. Ein fotokatalytisches Gerät, das eine beliebige unbehandelte Wasserquelle wie einen Fluss, das Meer, ein Wasserreservoir oder Industrieabwässer nutzen kann, wäre also eine nachhaltigere Option.

Ein ebensolches haben Forscher:innen der Universität Cambridge in Großbritannien entwickelt und im Fachmagazin Nature Water vorgestellt. „Es ist nicht ganz einfach, die Produktion von Solartreibstoff und Wasser in einem einzigen Gerät zu vereinen“, sagt Chanon Pornrungroj, der Hauptautor der Studie.
„Bei der solarbetriebenen Wasserspaltung, bei der Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten werden, muss mit absolut reinem Wasser begonnen werden, da jegliche Verunreinigungen den Katalysator vergiften oder unerwünschte chemische Nebenreaktionen hervorrufen können.“

Deshalb kamen die Forscher:innen auf die Idee, die Fähigkeit einer Pflanze zur Fotosynthese nachzuahmen und dabei gezielt auf verunreinigtes Wasser zu setzen. „In abgelegenen oder Entwicklungsregionen, in denen sauberes Wasser relativ knapp ist und die für die Wasseraufbereitung erforderliche Infrastruktur nicht ohne Weiteres zur Verfügung steht, ist die Wasserspaltung äußerst schwierig“, so Ariffin Mohamad Annuar, einer der Mitautoren der Studie. „Ein Gerät, das mit verunreinigtem Wasser funktioniert, könnte zwei Probleme auf einmal lösen: Es könnte Wasser spalten, um sauberen Kraftstoff herzustellen, und es könnte sauberes Trinkwasser erzeugen.“

So entstand ein Fotokatalysator, der ähnlich einer Pflanze arbeitet. Dabei sorgt eine weiße, UV-absorbierende Schicht auf der Oberseite des schwimmenden Geräts für die Wasserstoffproduktion durch Wasserspaltung. Das restliche Licht des Sonnenspektrums wird auf den Boden des Geräts übertragen, wo das Wasser verdampft.

Dies soll die sogenannte Transpiration, den Prozess der Wasserbewegung durch eine Pflanze und die Verdunstung an oberirdischen Teilen wie Blättern, Stängeln und Blüten, nachahmen. „Auf diese Weise nutzen wir das Licht besser aus – wir erhalten den Dampf für die Wasserstoffproduktion, und der Rest ist Wasserdampf“, sagt Pornrungroj. „So ahmen wir wirklich ein echtes Blatt nach, da wir nun den Prozess der Transpiration miteinbeziehen können.“

Die Forscher:innen haben ihr Gerät im Fluss der Universitätsstadt getestet, aber ebenso mit trüben Industrieabfällen aus der Papierindustrie. Selbst in künstlichem Meerwasser behielt das Gerät nach 154 Teststunden noch 80 Prozent seiner ursprünglichen Leistung bei. Das soll daran liegen, dass der Fotokatalysator von den Verunreinigungen in der Wasserquelle isoliert ist und deshalb relativ trocken bleibt.

„Es ist sehr tolerant gegenüber Verunreinigungen, und das schwimmende Design ermöglicht es dem Prozess, in sehr trübem oder schlammigem Wasser zu funktionieren“, erklärt Pornrungroj. „Es ist ein äußerst vielseitiges System.“

Die Forscher:innen sehen ihr Gerät als Beitrag zu einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft, wie sie in Zeiten der Klimakrise umso dringender gebraucht werde. „Unser Gerät ist noch ein Grundsatzbeweis, aber das sind die Art von Lösungen, die wir brauchen, wenn wir eine wirklich kreislauforientierte Wirtschaft und eine nachhaltige Zukunft entwickeln wollen“, sagt Studienmitautor Erwin Reisner.

„Die Klimakrise und die Probleme im Zusammenhang mit Umweltverschmutzung und Gesundheit sind eng miteinander verknüpft, und die Entwicklung eines Ansatzes, der dazu beitragen könnte, beide Probleme zu lösen, wäre für so viele Menschen von entscheidender Bedeutung.“