Experimentelle Leistungs-, Exergie- und Wirtschaftlichkeitsanalyse eines ovalen Rohr-Solarstills mit nano-verbessertem Phasenwechselmaterial

Sonnenlicht in sicheres Trinkwasser verwandeln

Milliarden Menschen leben in trockenen Küstenregionen, in denen Meerwasser reichlich vorhanden, trinkbares Wasser jedoch knapp ist. Große Entsalzungsanlagen können teuer und energieintensiv sein und sind für viele Gemeinden unerschwinglich. Die vorliegende Studie untersucht ein kleines, kostengünstiges Gerät, das ausschließlich Sonnenlicht nutzt, um Salzwasser effizienter und günstiger in Trinkwasser umzuwandeln als gängige Bauformen.

Eine neue Form für solare Wasseraufbereiter

Herkömmliche Solarstills sind meist einfache Kästen mit einer Glasabdeckung, in denen Salzwasser durch Sonneneinstrahlung verdampft und anschließend als Frischwasser kondensiert. Die Autor:innen entwarfen eine andere Form: ein ovales, transparentes Rohr, das horizontal liegt. Im Rohr befindet sich eine flache schwarze Metallwanne mit Salzwasser. Sonnenlicht kann aus mehreren Richtungen eindringen, das Wasser erwärmen, zur Verdampfung anregen und anschließend an der kühlen Innenfläche des ovalen Rohrs kondensieren. Tropfen laufen ab und werden als Trinkwasser gesammelt. Dieses ovale Rohr-Solarstill (OTSS) bietet eine größere Kondensationsfläche als flache Konstruktionen, was die Ausbeute erhöht.

Tagsüber Wärme speichern, nachts nutzen

Ein wesentlicher Nachteil von Solarstills ist, dass die Produktion nach Sonnenuntergang stark nachlässt. Zur Lösung dieses Problems ergänzten die Forschenden eine versteckte „thermische Batterie“ unterhalb der Wasserwanne. Sie verwendeten Paraffinwachs, ein gebräuchliches Material, das beim Erwärmen schmilzt und beim Abkühlen erstarrt und dabei große Wärmemengen speichert und wieder abgibt. Das Wachs ist in einem unteren Metallfach direkt unter dem Wasser angeordnet. An sonnigen Tagen schmilzt es und speichert Wärme; nach Sonnenuntergang erstarrt es langsam und gibt die gespeicherte Wärme wieder an das Wasser ab. Experimente in Kairo mit flacher Wasserschicht (insbesondere 0,5 cm Tiefe) zeigten, dass das Wachs das Wannenwasser bis in den Abend hinein wärmer hielt und sowohl die Tages- als auch die Nachtproduktion von Frischwasser um etwa 28 Prozent gegenüber demselben Rohr ohne Wachs erhöhte.

Wärmefluss mit winzigen Zusätzen verbessern

Obwohl Paraffinwachs viel Wärme speichern kann, leitet es Wärme nicht besonders gut. Um die Wärmeübertragung in und aus dem Wachs zu beschleunigen, mischte das Team extrem kleine Partikel aus Aluminiumoxid ein und erzeugte so ein nano-verbessertes Paraffinwachs. Diese Nanopartikel sind tausendfach kleiner als ein Sandkorn, erhöhen aber deutlich die Wärmeleitfähigkeit des Wachses. Die Forschenden testeten mehrere Partikelkonzentrationen und fanden, dass eine moderate Menge (0,3 Gewichtsprozent) am besten funktionierte. Mit dieser Mischung erwärmte und kühlte das Wachs schneller und gab während des späten Nachmittags und Abends mehr Wärme an das Wasser ab. Infolgedessen produzierte das Still bis zu 7,26 Liter Frischwasser pro Quadratmeter Wannenfläche und Tag — etwa 42 Prozent mehr als dasselbe Gerät ohne Wachs und 11 Prozent mehr als mit reinem Wachs.

Effizienzmessung und Kosten

Über das Zählen von Litern hinaus untersuchte die Studie, wie effektiv das OTSS eingestrahlte Sonnenenergie in Verdampfung umwandelt und wie viel dieses Wasser über die Lebensdauer des Geräts kosten würde. Das ovale Rohr ohne Wachs wandelte etwa 43 Prozent der empfangenen Sonnenenergie in Verdampfung um; mit Wachs stieg dieser Wert auf nahezu 61 Prozent, und das nano-verbesserte Wachs steigerte ihn auf über 68 Prozent. Ein detaillierteres, qualitätsbezogenes Maß der Energie, die Exergieeffizienz, verbesserte sich ebenfalls stetig mit jeder Optimierung. Die Autor:innen schätzten Material- und Betriebskosten für eine zehnjährige Lebensdauer unter ägyptischen Bedingungen. Obwohl das fortschrittliche Wachs und die Nanopartikel zunächst zusätzliche Kosten verursachen, senkte die höhere Produktion den Preis pro Liter Wasser von etwa 2,1 Cent auf 1,63 Cent (US-Dollar) und machte das verbesserte System sowohl produktiver als auch wirtschaftlicher.

Was das für durstige Regionen bedeutet

Einfach ausgedrückt zeigen die Forschenden, dass die Kombination aus neuem ovalem Rohrdesign und intelligenten Wärmespeichermaterialien deutlich mehr Frischwasser aus derselben Menge Sonnenlicht gewinnen kann. Das Gerät bleibt vergleichsweise einfach — ein klares Rohr, eine flache Metallwanne und eine Schicht speziellen Wachses mit feinverteilten Partikeln — und liefert dennoch mehr Wasser, arbeitet länger in die Nacht hinein und senkt den Preis pro Liter. Für abgelegene, sonnige Gemeinden ohne Zugang zu großen, stromintensiven Anlagen könnten solche Solarstills eine praktikable, wartungsarme Möglichkeit bieten, sauberes Trinkwasser allein mit Meerwasser und Sonnenschein zu gewinnen.

Zitation: Aly, W.I.A., Tolba, M.A. & Abdelmagied, M. Experimental performance, exergy, and economic analysis of an oval tubular solar still integrated with nano-enhanced phase change material. Sci Rep 16, 11365 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43990-y

Schlüsselwörter: solare Entsalzung, Solarstill, Phasenwechselmaterial, Nano-Partikel, sauberes Wasser