MOF Schwammwerkstoff gewinnt Trinkwasser aus Luft

Ein Forschungsteam aus der Anorganischen Chemie der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) entwickelt gezielt poröse Materialien, um Wasser aus der Luft zu gewinnen und energieeffiziente Kühlung zu ermöglichen. Jetzt ist es dem Team gelungen, sie erstmals in größerem Maßstab herzustellen und damit einen wichtigen Schritt in Richtung industrieller Anwendung zu gehen.

Schwammmaterial mit MOF Hightech-Struktur

Forschende aus der Chemie und den Materialwissenschaften der CAU arbeiten gemeinsam mit weiteren Partnern daran, neue Wasserquellen für den Mittelmeerraum zu erschließen. „Regionen wie diese kämpfen mit steigenden Temperaturen und sinkenden Niederschlagsmengen. Wir wollen eine umweltfreundliche Technologie entwickeln, um Wassermoleküle aus der Luft in Trinkwasser umzuwandeln“, sagt Professor Norbert Stock vom Institut für Anorganische Chemie.

„Zwei neue Studien, die wir kürzlich in ‚Journal of Materials Chemistry A‘ und Industrial & Engineering Chemistry Research‘ veröffentlicht haben, zeigen wie man große Mengen des Materials hergestellt hat und die Effizienz von Kühlanlagen verbessert werden kann.“ Außerdem stellt das Team einen neuen Ansatz vor, mit dem die Forschenden Wasser aus der Luft effizienter und schneller zugänglich machen können, als mit bisherigen Materialsystemen.

Ähnlich wie ein Schwamm nehmen Materialien aus der Klasse der Metall-organischen Gerüstverbindungen (Metal-Organic Frameworks, MOFs) in kurzer Zeit viel Wasser auf und können es auch schnell wieder abgeben. Möglich macht das ihre extrem poröse Struktur mit unzähligen fein vernetzten Hohlräumen: Die Grundlagenarbeit dazu wurde im Jahr 2025 mit dem Nobelpreis für Chemie gewürdigt.

In Kiel optimiert Stocks Team die Synthese des MOFs „CAU-10-H“ gezielt für die Wasseraufnahme und Wärmetransformation, benannt nach dem Entwicklungsort an der Kieler Universität, der Materialnummer und dem Elementsymbol von Wasserstoff. Es bindet bereits bei Raumtemperatur oberhalb von 18% relativer Luftfeuchtigkeit Wassermoleküle in seinem Porensystem und setzt sie bei etwa 70°C wieder frei.

Indem die Forschenden sie mit leitfähigen Kohlenstoffstrukturen kombinieren, lässt sich dieser Prozess zusätzlich beschleunigen. Dieses Kompositmaterial lässt sich gezielt durch Strom oder Sonnenlicht erwärmen. Dadurch gibt es aufgenommenes Wasser besonders schnell wieder ab und arbeitet in kurzen, wiederholbaren Zyklen. Unter trockenen Bedingungen gewinnt das System kontinuierlich Trinkwasser aus der Luft und erreicht eine Wasseraufnahme von bis zu 0,17 g Wasser pro g Material.

Die Zyklen dauern wenige Stunden und ermöglichen einen effizienten und kontinuierlichen Betrieb. Unter diesen Bedingungen kann man mit CAU-10-H potentiell bis 1,8 Liter Wasser pro Tag und Kilogramm Kompositmaterial aus Luft gewinnen. „Dies macht seinen Einsatz für die Trinkwassergewinnung auch in trockenen Regionen interessant“, sagt Erstautor Lasse Wegner.

Parallel zeigt CAU-10-H auch großes Potenzial für die Kühlung: In Adsorptionskälteanlagen erreicht es eine bis zu dreifach höhere Kühlleistung im Vergleich zu Silicagel, einem weit verbreiteten Trockenmittel auf Basis von Siliciumdioxid. Solche Systeme könnten künftig Abwärme nutzen, etwa von Rechenzentren oder Bäckereien. Das würde den Energieverbrauch solcher Klimaanlagen im Vergleich zur herkömmlichen Technologie deutlich senken und Kühlung nachhaltiger machen.

„Wir haben CAU-10-H bereits vor rund 15 Jahren entdeckt, seine Anwendung wurde seitdem weltweit erforscht“, sagt Stock, der seit über zwei Jahrzehnten auf dem Gebiet der MOFs forscht. Unterstützt durch den Validierungsfond der CAU Kiel gelang nun die Übertragung der Herstellung in den Technikumsmaßstab, den Zwischenschritt vom Labor zur industriellen Produktion.

Unter Leitung von Kalle Mertin produzierte das Team rund 30 kg Material, etwa 60-mal mehr als zuvor im Labor. Parallel optimierten die Forschenden die Prozesse weiter und konnten anhand einer techno-ökonomische Analyse zeigen, dass die Produktionskosten auf etwa 12 bis 14 US-Dollar pro Kilogramm gesenkt werden können.

Originalpublikationen:
www.pubs.rsc.org/ta/article/14/40/26993/1226817/Electrically-conductive-MOF-carbon-foam-composites
www.pubs.acs.org/iecred/article/65/13/7045/5147571/CAU-10-H-Synthesis-Scale-Up-at-the-Pilot-Scale

www.uni-kiel.de