Experimentelle und numerische Untersuchung der Leistung eines einseitig geneigten Solardestillats, verbessert durch poröse absorbierende Materialien: thermische, ökonomische und ökologische Bewertungen

Wie Sonnenlicht zu Trinkwasser wird

Für Millionen von Menschen in trockenen, sonnigen Regionen kann salziges oder brackiges Wasser reichlich vorhanden sein, während sicheres Trinkwasser knapp ist. Ein einfaches Gerät, das Solardestillat, kann Sonnenlicht mit nur einer flachen Wanne, einer transparenten Abdeckung und dem natürlichen Kreislauf von Verdampfung und Kondensation in Frischwasser verwandeln. Diese Studie untersucht, wie das Hinzufügen alltäglicher poröser Materialien wie ein Küchenschwamm oder vulkanischer Stein diese niedrigtechnischen Geräte dazu bringen kann, mehr Wasser bei geringeren Kosten zu produzieren und gleichzeitig die klimaschädlichen Emissionen zu verringern.

Eine einfache Box, die den Wasserkreislauf nachahmt

Ein einseitig geneigtes Solardestillat ist im Wesentlichen ein kleines Gewächshaus, das auf die Seite gelegt wurde. Salzwasser liegt in einer dunklen Wanne unter einer schrägen Glasabdeckung. Sonnenlicht dringt durch das Glas, erwärmt das Wasser und lässt es verdampfen. Die feuchte Luft steigt auf, berührt das kühlere Glas und bildet Tropfen, die in einen Sammelkanal als destilliertes, trinkbares Wasser ablaufen. Traditionelle Konstruktionen sind billig und robust, leiden aber unter geringer Leistung: Selbst an einem hellen Tag erzeugen sie typischerweise weniger als einen Liter pro Quadratmeter, was ihre Nützlichkeit für Familien oder Dörfer mit zuverlässigem Bedarf einschränkt.

Schwämme und Steine für mehr Ertrag

Die Forschenden testeten drei Versionen dieses einfachen Destillats im heißen, trockenen Klima von Karbala, Irak: eine traditionelle Einheit mit leerer Wanne; eine Version, deren Wanne mit Bimsstein, einem leichten porösen Gestein, gefüllt war; und eine weitere, die mit Melaminschwamm gefüllt war, einem sehr leichten, hochporösen Schaumstoff, der häufig zum Reinigen verwendet wird. Diese Materialien saugen Wasser auf und setzen es durch zahllose winzige Poren der Luft aus. Das vergrößert die Fläche, an der Verdampfung stattfinden kann, deutlich und verändert zugleich, wie Wärme im Inneren des Geräts gespeichert und abgegeben wird.

Feldversuche und Computermodelle

Alle drei Destillate wurden nebeneinander im Freien unter natürlichem Sonnenlicht betrieben und verwendeten flaches brackiges Wasser, wie es in ländlichen Brunnen vorkommen kann. Das Team maß sorgfältig die Temperaturen von Wasser, Dampf und Glas sowie die Menge an destilliertem Wasser, die pro Stunde produziert wurde. Gleichzeitig erstellten sie ein detailliertes Computermodell von Wärme- und Strömungsprozessen im Inneren der Destillate mit ingenieurwissenschaftlicher Simulationssoftware. Die simulierten Temperaturen und Erträge stimmten eng mit den Experimenten überein — innerhalb von etwa 2,4 Prozent — was Vertrauen schenkte, dass das Modell die wesentlichen physikalischen Vorgänge erfasst und zur Untersuchung der Leistung unter anderen Bedingungen verwendet werden kann.

Mehr Wasser, geringere Kosten und sauberere Luft

Die porösen Materialien machten einen deutlichen Unterschied. Das mit Melaminschwamm ausgestattete Destillat erzeugte etwa 1,35 Liter Frischwasser pro Tag — 56,9 Prozent mehr als die traditionelle Einheit — während die Bimssteinversion den Ertrag um etwa 22,9 Prozent steigerte. Höhere Wasser- und Dampftemperaturen in den modifizierten Destillaten führten zu mehr Verdampfung und schnellerer Kondensation am Glas, und die extrem hohe Porosität des Melaminschwamms (mehr als 99 Prozent Leerraum) erwies sich als besonders wirksam. Die thermische Effizienz, ein Maß dafür, wie viel eingehendes Sonnenlicht in Verdampfung umgewandelt wird, stieg von etwa 31,5 Prozent beim traditionellen Destillat auf 38,2 Prozent mit Bimsstein und 49,3 Prozent mit Schwamm.

Betrachtung von Kosten, Energie und Umwelt

Da diese Systeme für einkommensschwache, netzferne Gemeinschaften gedacht sind, untersuchte das Team nicht nur die Physik, sondern auch Ökonomie und Umweltfolgen. Selbst unter Berücksichtigung von Kauf, Wartung und Restwert lieferte das Melaminschwamm-Destillat die niedrigsten Wasserkosten, etwa 0,076 US-Dollar pro Liter, ein Rückgang um 35 Prozent gegenüber dem traditionellen Design. Die finanzielle Amortisationszeit — wie lange es dauert, bis Einsparungen durch die Wasserproduktion die Anfangsinvestition decken — betrug etwa zweieinhalb Jahre, kürzer als bei sowohl dem leeren Destillat als auch der Bimssteinvariante. Aus energetischer Sicht deckten die Destillate die zur Herstellung eingesetzte Energie in deutlich unter einem Jahr wieder ein, obwohl die Qualität dieser Energie (ihre Fähigkeit, nützliche Arbeit zu leisten) begrenzt blieb, was einen grundlegenden Nachteil der Niedertemperaturwärme widerspiegelt. Ökologisch betrachtet könnte das Ersetzen elektrisch betriebener Entsalzung oder Pumpen durch diese sonnengespeisten Destillate pro Melaminschwamm-Einheit etwa 1,6 Tonnen Kohlendioxid-Emissionen pro Jahr einsparen.

Was das für durstige, sonnige Regionen bedeutet

Einfach gesagt: Das Befüllen der Wanne eines einfachen Solardestillats mit einem preiswerten, hochporösen Schwamm verwandelt ihn in einen weitaus produktiveren, kosteneffizienteren Wasserbereiter. Obwohl das Verfahren nach wie vor am besten für den Kleinskalen‑Einsatz geeignet ist — Haushalte, landwirtschaftliche Betriebe oder abgelegene Standorte — bietet es eine vielversprechende, wartungsarme Möglichkeit, hartes Sonnenlicht und marginales Wasser in einen stetigen Fluss sicheren Trinkwassers zu verwandeln. Die Studie zeigt, dass durchdachter Einsatz gängiger Materialien die Kosten pro Liter fast halbieren, die Amortisation beschleunigen und die Klimaverschmutzung verringern kann, wodurch Solardestillate zu einem praktischeren Werkzeug im Kampf gegen Wasserknappheit werden.

Zitation: Majeed, S.H., Rashid, F.L., Azziz, H.N. et al. Experimental and numerical investigation of single-slope solar still performance enhanced by porous absorbing materials: thermal, economic, and environmental assessments. Sci Rep 16, 8487 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41901-9

Schlüsselwörter: solare Entsalzung, Solardestillat, poröse Materialien, Melaminschwamm, netzfernes Wasser