Synergistisches MOF‑basiertes Verbundmaterial ermöglicht deutliche Steigerung der solar‑zu‑Wasser‑Erzeugung in klimaresilienter AWH

Aus Luft Trinkwasser machen

Viele Regionen der Welt leiden unter chronischem Wassermangel, dabei enthält die Luft über uns mehrere Male mehr Wasser als alle Flüsse und Seen der Erde zusammen. Diese Studie zeigt, wie ein neues Material und ein neues Gerätekonzept mehr von diesem verborgenen Wasser aus der Luft nur mit Sonnenlicht gewinnen können, selbst in schwierigen Klimaten. Die Arbeit weist den Weg zu kompakten, netzunabhängigen Geräten, die sauberes Wasser ohne Brunnen, Rohrleitungen oder Stromnetz liefern könnten.

Warum Wasser aus dünner Luft ernten?

Milliarden von Menschen haben keinen verlässlichen Zugang zu Frischwasser, während die Atmosphäre ständig ein riesiges Reservoir an Wasserdampf transportiert. Ingenieure haben bereits Geräte entwickelt, die feuchte Luft abkühlen, um Tau zu sammeln, Nebeltröpfchen abfangen oder schwammähnliche Materialien nutzen, um Feuchtigkeit aufzunehmen und später wieder freizugeben. Besonders attraktiv sind dabei sonnenbetriebene Systeme mit spezialisierten Sorbentien, weil sie an abgelegenen Orten ohne Brennstoff oder Batterien laufen können. Viele aktuelle Materialien benötigen jedoch hohe Temperaturen, um das gebundene Wasser wieder freizusetzen — Temperaturen, die unter realen Sonnenbedingungen über viele Stunden schwer zu erreichen sind. Daher bleiben diese Geräte nachts weitgehend ungenutzt und liefern bei bewölktem Himmel oder mildem Wetter oft weniger als möglich wäre.

Ein intelligenter Wasserschwamm aus zwei Zutaten

Die Forschenden begegneten diesem Problem, indem sie zwei bewährte Komponenten zu einem sorgfältig konstruierten „Wasserschwamm“ kombinierten. Das Rückgrat bildet ein poröses Kristallgerüst, bekannt als MOF, das eine enorme innere Oberfläche und Kanäle besitzt, die Wasser schnell aufnehmen können. In diese winzigen Kanäle brachten sie ein gebräuchliches Salz, Lithiumchlorid, ein, das von Natur aus große Mengen Wasser anzieht, beim Verflüssigen aber meist unordentlich und instabil wird. Durch Einweichen des MOF in Salzlösung und anschließendes Trocknen schufen sie eine dünne, gleichmäßige Salzschicht auf den inneren Oberflächen, ohne die Struktur zu verstopfen. Messungen der Porengröße, der Oberfläche und der chemischen Zusammensetzung bestätigten, dass das Salz eine gleichmäßige Schicht innerhalb des Gerüsts bildet und nicht außen verklumpt.

Aufnehmen von nächtlicher Feuchte, Freigeben bei milder Sonne

Wasseraufnahme‑Tests zeigten, dass dieser Verbund außergewöhnliche Mengen an Wasser aufnehmen kann, besonders wenn die Luft relativ feucht ist, wie nachts in ariden Regionen. Das Material bindet Wasser in mehreren Stufen: zunächst stark an das Salz, dann lässt das Salz teilweise verflüssigen und schließlich quillt das Material durch die aufgenommene Lösung. Entscheidend ist, dass sich fast all dieses Wasser bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen wieder treiben lässt — in etwa bei der Temperatur von warmem Leitungswasser — statt bei den deutlich höheren Temperaturen, die viele frühere MOF‑Sorbentien benötigen. Wiederholte Zyklustests bestätigten, dass das Material große Mengen Wasser immer wieder adsorbieren und freisetzen kann, ohne Kapazität zu verlieren oder Salz auszulaugen.

Ein kompaktes sonnenbetriebenes Gerät mit intelligenter Wärmesteuerung

Um dieses Material in ein praktisches Werkzeug zu verwandeln, bauten die Forschenden ein modulares Panel aus vielen kleinen Kartuschen, die mit dem Verbund gefüllt und von einer dunklen, sonnenabsorbierenden Oberfläche bedeckt sind. Nachts ziehen die exponierten Kartuschen Feuchtigkeit aus der Luft. Tagsüber erwärmt die Sonne das Panel, heizt das Sorbens auf und setzt Wasserdampf frei, der in eine geschlossene Kammer geleitet wird, wo eine kühlere Oberfläche den Dampf wieder zu Flüssigkeit kondensiert. Eine spezielle doppelschichtige Übergangsplatte im Gerät hilft, die heiße Seite heiß und die kalte Seite kühl zu halten, was das empfindliche Gleichgewicht zwischen Erwärmung zur Freisetzung und Kühlung zur Kondensation vereinfacht. In Labortests erzeugte ein tischgroßes Panel in sieben Stunden über einen Liter Wasser pro Quadratmeter und wies etwa 25 Prozent höhere thermische Effizienz auf als dasselbe Gerät mit nur dem MOF.

Funktioniert über Jahreszeiten und Standorte hinweg

Feldtests in drei chinesischen Städten mit sehr unterschiedlichen Klimata — dem feucht‑subtropischen Shanghai, dem heißen kontinentale Jinan und dem kühlen Hochland Kunming — zeigten, dass das verbundbasierte Gerät durchgehend besser abschnitt als ein vergleichbares System mit nur dem MOF. Je nach Standort sammelte das neue System unter identischen Außenbedingungen ungefähr 50 bis über 90 Prozent mehr flüssiges Wasser, auch an Tagen mit schwächerer Sonneneinstrahlung und niedrigeren Temperaturen. In manchen Fällen begann es früher am Morgen Wasser zu erzeugen und nahm nachts länger Feuchtigkeit auf, wodurch der natürliche Tag‑Nacht‑Feuchtigkeitszyklus besser genutzt wurde. Wichtig ist, dass chemische Analysen des gesammelten Wassers keine nachweisbaren Spuren von Lithium, Nickel oder anderen Metallen zeigten — ein Hinweis darauf, dass das Wasser so rein wie Destillat ist und das Salz sicher im Material eingeschlossen bleibt.

Was das für zukünftige Wasserlösungen bedeutet

Einfach gesagt haben die Forschenden einen besseren „Luftschwamm“ gebaut und ihn in eine schlauere Box verpackt. Indem sie ein poröses Kristallgerüst mit einem hygroskopischen Salz kombinierten und das Ganze mit durchdachter Wärmesteuerung paarten, schufen sie ein System, das mehr Wasser aus der Luft gewinnt und dabei weniger Energie verbraucht. Weil es bei niedrigeren Temperaturen und unter wechselnden Wetterbedingungen funktioniert, könnte dieser Ansatz zu bezahlbaren, solarbetriebenen Geräten führen, die Trinkwasser in trockenen, abgelegenen oder klimatisch belasteten Regionen liefern. Die Arbeit bietet einen Entwurf dafür, wie die Kombination komplementärer Materialeigenschaften alltägliches Sonnenlicht und feuchte Luft in eine verlässliche Quelle für Frischwasser verwandeln kann.

Zitation: Shao, Z., Feng, X., Poredoš, P. et al. Synergistic MOF-based composite enabling significant solar-to-water generation enhancement in climate-resilient AWH. Nat Commun 17, 2097 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68946-8

Schlüsselwörter: atmosphärische Wassergewinnung, solare Entsalzung, metall‑organische Gerüste, hygroskopische Salze, netzausfallfreie Wasserversorgung