Eine umfassende Bewertung der Steigerung der Produktivität solarthermischer Destilliergeräte mithilfe neuartiger Docht- und Energiespeichermaterialien

Sonnenlicht in Trinkwasser verwandeln

In vielen Regionen der Welt ist Sonnenlicht reichlich vorhanden, sauberes Trinkwasser jedoch knapp. Solare Destillen – einfache Vorrichtungen, die die Sonne zur Verdampfung und anschließenden Kondensation von Wasser nutzen – bieten eine technisch einfache Möglichkeit, salziges oder verschmutztes Wasser in trinkbares Wasser zu verwandeln. Die meisten solarthermischen Destillen arbeiten jedoch langsam, was ihre praktische Wirkung begrenzt. Diese Studie untersucht, wie sich aus derselben Sonneneinstrahlung mehr Frischwasser gewinnen lässt, indem ein spezieller Docht aus Bambusgewebe und Blöcke aus gebräuchlichen Metallen zur Wärmespeicherung ergänzt werden. Untersucht werden zwei einfache Destillierdesigns im direkten Vergleich.

Einfache Kästen, die Frischwasser erzeugen

Eine grundlegende solare Destille sieht aus wie eine flache Schale mit dunklem Metallboden, einer dünnen Wasserschicht und einem transparenten Glasdeckel, der geneigt eingebaut ist. Sonnenlicht erwärmt die dunkle Oberfläche und das Wasser, das daraufhin verdampft. Der Dampf steigt auf, trifft auf das kühlere Glas, kondensiert zu Tropfen und läuft in eine Rinne, wo das destillierte Wasser gesammelt wird. Die Forschenden bauten zwei gängige Varianten: eine einseitig geneigte Destille mit einer Schrägfläche und eine doppelt geneigte Destille mit auf zwei Seiten geneigtem Glas. Beide wurden aus denselben Materialien und mit gleicher Bodenfläche gefertigt, sodass Leistungsunterschiede auf Design und interne Zusätze zurückzuführen sind und nicht auf die Größe.

Mit Gewebe und Metall die Verdampfung beschleunigen

Um die Leistung ohne komplexe Mechanik zu steigern, konzentrierte sich das Team auf zwei kostengünstige Modifikationen: einen Docht und Wärmespeicherblöcke. Der Docht bestand aus Bambusgewebe, schwarz gefärbt, damit er mehr Sonnenlicht aufnimmt. Da Bambusfasern Wasser kapillar nach oben ziehen, verteilte das Gewebe einen dünnen Wasserfilm über eine größere Fläche, der sich schneller erwärmen und schneller verdampfen konnte. Darunter platzierten die Forschenden Metallstücke aus Baustahl, Gusseisen oder Kupfer. Diese Metalle wirken wie thermische Schwämme: Sie nehmen Wärme bei starker Sonneneinstrahlung auf und geben sie später wieder ab, sodass das Wasser auch beim Abklingen der Sonne warm bleibt. Getestet wurden fünf Anordnungen: eine nackte „konventionelle" Destille, eine Destille nur mit Bambusdocht und drei weitere mit Docht plus jeweils einem Typ von Metallwärmespeicher.

Messung von Wärme, Sonne und jedem Tropfen

Die Versuche fanden in Südindien an klaren Apriltagen statt, von frühmorgens bis abends, wobei beide Destillentypen nebeneinander standen und daher dieselben Wetter- und Lichtbedingungen erfuhren. Instrumente zeichneten die Sonneneinstrahlung, Windgeschwindigkeit und Temperaturen an wichtigen Punkten auf: der Absorberplatte, dem Wasser und Dampf im Inneren, der Glasabdeckung und dem gesammelten Kondensat. Die Forschenden wogen das destillierte Wasser stündlich, um zu sehen, wie sich die Produktivität im Tagesverlauf und in die Nacht hinein änderte. Außerdem berechneten sie, wie effizient jedes Design eingestrahlte Sonnenenergie in nutzbare Verdampfung umsetzt, und wie viel dieser Energie tatsächlich als „verfügbar“ betrachtet werden kann — ein Konzept, das als Exergie bekannt ist und Energieverluste im System hervorhebt.

Welches Design und welche Materialien am besten wirkten

Sowohl der Bambusdocht als auch die Metallblöcke zeigten einen spürbaren Effekt, doch eine Kombination hob sich ab. In allen fünf Testfällen produzierte die doppelt geneigte Destille durchweg mehr Wasser als die einseitig geneigte, da sie eine größere Glasfläche zur Kondensation bot und die aufgefangene Wärme besser nutzte. Der alleinige Einsatz des Bambusdochts erhöhte bereits die Wassertemperatur und die Dampfproduktion. In Kombination mit Kupferblöcken — dem besten Wärmeleiter unter den getesteten Metallen — stiegen Temperatur und Ertrag weiter an. In diesem leistungsstärksten Fall erreichte die doppelt geneigte Destille eine durchschnittliche thermische Effizienz von etwa 41,7 % und eine Exergieeffizienz von 3,1 %, höher als bei allen anderen Anordnungen. Über einen ganzen Tag hinweg stieg der Frischwasserertrag von etwa 3,4 Litern für die einseitig geneigte Kupfer‑und‑Docht‑Destille auf etwa 3,8 Liter für die doppelt geneigte Version.

Umwelt- und Kostenvorteile

Da die verbesserten Destillen mehr Wasser aus derselben Sonneneinstrahlung und denselben Materialien gewinnen, untersuchten die Forschenden auch langfristige Umwelt- und wirtschaftliche Effekte. Beide Designs wiesen ähnliche energetische Amortisationszeiten auf; sie haben die für ihren Bau aufgewendete Energie nach etwas mehr als eineinhalb Jahren Betrieb zurückgezahlt. Die doppelt geneigte Destille erzeugte jedoch etwas mehr nutzbare Energie und reduzierte über ihre Lebensdauer gesehen stärker die klimaschädlichen Emissionen, wodurch sie potenziell mehr „Kohlenstoffgutschriften" einbringen könnte. Ökonomisch führte die höhere Leistung dazu, dass jeder Liter destillierten Wassers aus der doppelt geneigten Destille etwas günstiger war als aus der einseitig geneigten Version, obwohl beide Systeme die gleiche Grundkonstruktionskosten aufweisen.

Was das für durstige Gemeinschaften bedeutet

Für Menschen in sonnenreichen Regionen mit begrenztem Zugang zu sauberem Wasser zeigt diese Arbeit, dass eine einfache Änderung der Form und ein kluger Einsatz alltäglicher Materialien kleine solarthermische Destillen deutlich produktiver machen kann. Eine doppelt geneigte Konstruktion mit schwarzem Bambusdocht und Kupferwärmespeicherblöcken kann pro Tag mehr Frischwasser liefern, Solarenergie effektiver nutzen und zugleich erschwinglich sowie umweltfreundlich bleiben. Zwar waren die Tests kurzzeitig und an ein Klima gebunden, doch der Ansatz weist in Richtung robuster, technisch einfacher Entsalzungssysteme, die abgelegenen Gemeinden, landwirtschaftlichen Betrieben und Haushalten helfen können, reichlich vorhandenes Sonnenlicht in einen zuverlässigeren Strom sicheren Trinkwassers zu verwandeln.

Zitation: Rajkumar, D., Vijayakumar, R., Madhu, P. et al. A comprehensive assessment of solar still productivity enhancement using novel wick and energy storage material. Sci Rep 16, 14324 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43571-z

Schlüsselwörter: solare Entsalzung, Trinkwassererzeugung, Bambusdocht, thermische Energiespeicherung, Solarstille mit doppelt geneigtem Glas