Stellen Sie sich eine kleine Kiste vor, die selbst in der Mojave-Wüste Trinkwasser aus der Luft gewinnen kann. Es ist nur eine der neuen, umwerfenden Technologien, die darauf abzielen, die globale Wasserkrise zu lösen, deren Ausmaß Innovationen auf Science-Fiction-Niveau erfordert.
Laut den Vereinten Nationen haben mehr als 2 Milliarden Menschen auf der ganzen Welt keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser. Angesichts der natürlichen Wasserknappheit und der durch den Klimawandel verstärkten Dürren haben viele Menschen nur eingeschränkten Zugang zu Wasser, während andere unter verunreinigten Wasservorräten leiden. Viele haben mit beiden Problemen zu kämpfen.
Es entstehen phantasievolle Werkzeuge und Techniken, um Wasser zu erzeugen und zu reinigen. Wissenschaftler haben mikrobiologische Gehirncomputer entwickelt, um Toxizität zu erkennen, Blei aus H2O mit Strom geschockt und ein energiefreies Reinigungsgerät gebaut, das menschlichen Fehlern standhält.
Diese Technologien könnten letztendlich die Gesundheit von Menschen auf der ganzen Welt schützen, sei es in Städten mit bleiverseuchten Rohren oder in ländlichen Gegenden, in denen gemeinsame Brunnen versiegen können.
Wüsten-Erntemaschine
Eine der reichsten Wasserquellen der Erde verbirgt sich vor aller Augen: die Luft.
Weniger als 0,001 Prozent der Feuchtigkeit in der Atmosphäre könnten jeden Menschen auf der Erde mit 50 Liter Wasser versorgen, so Omar M. Yaghi, PhD, James-und-Neeltje-Tretter-Lehrstuhlprofessor für Chemie an der University of California in Berkeley.
Yaghis Labor hat eine neue Methode entwickelt, um diese immense, unsichtbare Ressource zu erschließen.
Sie nähen Moleküle zu Strukturen zusammen, die Gerüsten ähneln, wobei organische Moleküle als Streben und Metallatome als Gelenke dienen. Diese metallorganischen Gerüste oder MOFs haben riesige Oberflächenbereiche: zwei Fußballfelder, die zu einer erbsengroßen Prise gefaltet sind.
Der Plexiglas-Wassersammler von Yaghi ist voll von MOFs, die selbst der trockensten Wüstenluft Wasser entlocken können. Die Box erwärmt sich bei Sonneneinstrahlung, wodurch die MOFs der Luft Feuchtigkeit entziehen, die später als trinkfertiges Wasser freigesetzt wird.
„Es gibt kein Material auf der Welt, das Wasser aufnimmt und auf diese Weise bei sehr niedriger Luftfeuchtigkeit abgibt, außer dem MOF“, sagt Yaghi.
Mit nur 200 Gramm MOFs kann die solarbetriebene Box über eine Gallone Wasser pro Tag ernten.
Die elektrische Version kann den Ernte- und Freigabezyklus den ganzen Tag wiederholen.
Bio-Gehirn-Toxin-Detektor
Mikroskopisch kleine, einzellige Organismen könnten den Schlüssel zu einem anderen Problem enthalten: ein einfacher Test für die Wassersicherheit.
Mikroben haben sich entwickelt, um Giftstoffe im Wasser zu erkennen und sich vor ihnen zu schützen, die Menschen nicht schmecken oder sehen können, einschließlich Arsen, E coliund führen.
“Sie haben so etwas wie ein genetisches molekulares Gehirn, das ihnen dabei hilft”, sagt Julius B. Lucks, PhD, Professor und außerordentlicher Lehrstuhl für Chemie- und Bioingenieurwesen an der Northwestern University.
Mikroben haben biosensorische Proteine, auch Biosensoren genannt, die sich an Toxine anheften, ein Prozess, der ein bestimmtes Gen aktiviert, beispielsweise eines, das die Leitung vom Organismus wegpumpt.
Die Forscher entdeckten, dass sie bestimmte Biosensoren extrahieren und die DNA neu verdrahten konnten, um ein anderes Gen zu produzieren: eines, das in Gegenwart des Schadstoffs leuchtet.
Dann bearbeiteten sie weitere Biosensor-Proteine und gestalteten diese so um, dass sie auf bestimmte Kontaminationsgrade reagieren.
Das Endprodukt ist ein tragbarer DNA-Computer: eine Reihe von Reagenzgläsern mit gefriergetrockneten Proteinen. Je höher die Verunreinigung in einer Wasserprobe ist, desto mehr Röhren leuchten.
„Nur wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind, setzen sich die endgültigen DNA-Moleküle zusammen und erzeugen eine fluoreszierende Farbe“, sagt Lucks. „Es ist irgendwie magisch.“
Fehlersicherer Chlorspender
Chlor ist ein wirksames Mittel zum Abtöten von Krankheitserregern im Wasser, aber es kann schwierig sein, es effektiv einzusetzen. Herkömmliche Methoden wie Chlortabletten und Spender mit Knöpfen lassen einen enormen Spielraum für menschliche Fehler.
Forscher des Tufts Institute of the Environment wollten die Verwendung von Chlor an gemeinsam genutzten Gemeinschaftswasserquellen an Orten ohne Strom einfach machen.
Ihre elegante Lösung besteht aus nur zwei Komponenten: einem kleinen Kästchen, das am Ende einer Wasserleitung befestigt wird, und einem mit flüssigem Chlor gefüllten Tank.
„Viele der gesundheitlichen Vorteile, die wir bei der Aufbereitung von Wasser festgestellt haben, erfordern, dass Sie Ihr Wasser ständig aufbereiten“, sagt Julie E. Powers, leitende Forscherin für das Gerät während ihrer Zeit bei Tufts und jetzt Doktorandin in Umwelttechnik an der UC Berkeley.
Da der Kasten einen kleineren Durchmesser als das Rohr hat, verursacht er eine Druckänderung, wenn das Wasser durch ihn fließt. Diese als Venturi-Effekt bekannte Druckverschiebung zieht Chlor aus dem Tank in den Wasserstrom, sodass es automatisch ohne Strom behandelt wird.
Die Forscher installierten das Venturi-Gerät an Wasserkiosken in sieben Gemeinden in Bangladesch und Kenia, wo der Zugang zu sauberem Wasser oft begrenzt ist. Nach einer 6-monatigen Testphase entschieden sich fünf Gemeinden für den Kauf.
Schockwassertherapie
Betäubt von der Bleiwasserkrise in Flint, Michigan, haben Wissenschaftler und Studenten des Massachusetts Institute of Technology ihre Entsalzungstechnologie umfunktioniert, um Schwermetalle zu entfernen.
Sie hatten bereits herausgefunden, wie man Elektrizität nutzt, um Verunreinigungen im Wasser zu trennen. Diese als Schock-Elektrodialyse bekannte Methode kann große Mengen Natrium aus dem Meerwasser entfernen. Aber Natrium ist ein wesentlicher Bestandteil von Trinkwasser, wo es in viel geringeren Konzentrationen vorkommt, und Blei kann schwierig zu entfernen sein, ohne alles andere zu entfernen.
„Blei ist sehr schwierig. Wenn Sie versuchen, es mit Strom herauszufiltern, spielt es möglicherweise mit Ihnen und bleibt an den Wänden oder Oberflächen des von Ihnen verwendeten Systems haften“, sagt Mohammad A. Alkhadra, Doktorand am Department of Chemical Engineering am Massachusetts Institute of Technology.
Ihre Technologie basiert auf elektrisch geladenen porösen Materialien wie mikroskopisch kleinen Glasstücken, die wie die Aktivkohle in einem Brita-Filter in einem Filtergehäuse eingeschlossen bleiben und 95 Prozent des Bleis entfernen.
Diese Materialien erhöhen die elektrische Leitfähigkeit des Wassers, setzen Natrium- und Metallionen in Bewegung und hinterlassen eine gereinigte Zone. Nur das reine Wasser aus dieser Zone wird in einen Trinkwassertank geleitet.
„Wasser war etwas, das ich als Kind schätzte und dessen Wert erkannte“, sagt Alkhadra, die in Saudi-Arabien aufgewachsen ist, einem Land, das von Wasserknappheit geplagt wird.
Da immer mehr Menschen mit schwindenden und kontaminierten Wasservorräten konfrontiert sind, ist dies eine Denkweise, die viele annehmen müssen.