Lohnender Blick in die Röhre

Forschung im Zeitalter der Crowd

10.08.2015 Wasseraufbereitung ist wichtig. Und sehr teuer. Forscher haben nun einen Trick erforscht, mit dem sich die Durchsatzraten bei dem Membranfiltration verdreifachen lassen.

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August 2015

Solche Nanoröhren durchläuft Wasser bei der untersuchten Membranfiltration. Bild: fotoliaxrender + Ekaterina Shilova – Fotolia.com

71 % der Erde sind mit Wasser bedeckt. Doch gerade einmal 1 % davon ist vom Menschen ohne vorheriges Aufbereiten zu konsumieren – Trinkwasser also. Dieses wird allerdings nicht nur als Durstlöscher benötigt, sondern ist auch Bestandteil bzw. Ausgangsstoff für schier unzählige Prozesse von Chemie und Pharma. In letzterer Branche sind die Ansprüche sogar noch einmal besonders hoch, die Messlatte beginnt hier bei PW (Purified Water; für Arzneimittel die weder steril noch pyrogenfrei sein müssen) bis hin zu WFI (Water for Injection). Das alles führt dazu, dass die Wasseraufbereitung und dessen Management – ohne hier übertreiben zu müssen – zu den wichtigsten Themen unserer Zeit gehören. Rein technisch ist die Umwandlung von Meer- bzw. Schmutzwasser in Trinkwasser oder auch Reinstwasser schon lange kein Problem mehr, ob nun Entsalzungsanlagen an den Küsten oder die Reinstwasser-Aufbereitung im pharmazeutischen Betrieb: Überall passt der Mensch das nasse Gut seinen Bedürfnissen an. Das Problem ist nur, dass sich diesbislang oft recht aufwendig und ineffizient (kurz: teuer) gestaltet.

Der Teufel steckt im Nano
Es gibt natürlich viele verschiedene Ansätze, die Aufbereitungsverfahren in Zukunft wirtschaftlicher zu gestalten. Manche ergeben sich durch logisches Nachdenken, wie das Rückgewinnen der eingesetzten Chemikalien oder der Prozesswärme. An anderer Stelle wiederum braucht es schon ein Rasterelektronenmikroskop, um dem Optimierungspotenzial auf die Schlichte zu kommen. Denn Ineffizienz entsteht auch dadurch, dass beispielsweise bei der Membranfiltration Wasser durch Öffnungen gepresst wird, deren Durchmesser im Nanobereich liegen. Die hier entstehende Reibung ist es, die den Energieverbrauch solcher Anlagen in die Höhe treibt. Wissenschaftler der Tsinghua University-Tel Aviv University, der TAU School of Chemistry sowie der Université de Genève haben dieses Verfahren nun genauer untersucht und kamen zu einem vielleicht bahnbrechenden Ergebnis: „Egal ob trocken oder nass, Materialien gleiten deutlich leichter aneinander vorbei, wenn man sie einer leichten Vibration aussetzt“, erklärt Prof. Michael Urbakh von der TAU. Simulationen haben gezeigt, dass diese „Phonon“ genannte Anregung der Gitterschwingungen eines Festkörpers dazu führen kann, dass sich die Effizienz beim Transport von Wasser stark verbessert. Im konkreten Fallbeispiel konnten die Forscher nachweisen, dass sich die Durchflussrate durch leichte Vibrationen um 300 % verbessern konnte – was nicht zuletzt auch einen großen energetischen Vorteil bedeutet, beispielsweise bei Entsalzungsanlagen.

Die Gitter mit dem Gitter erforschen

Interessant ist dabei auch, wie es zu diesen Ergebnissen kam. Denn um die komplexen Berechnungen stemmen zu können, war das Äquivalent von 40.000 Stunden Rechenleistung eines einzelnen Durchschnitts-Computers vonnöten. Dass die Ergebnisse dennoch bereits jetzt zur Verfügung stehen, liegt an einer Softwarelösung namens „World Community Grid“ von IBM. Und 150.000 Freiwilligen. Diese verbanden sich unter Zuhilfenahme des Grid zu einem globalen Netzwerk und stellten so ihre heimische Rechenpower in den Dienst der Wissenschaft. Ob der langen Wartelisten, in die sich Forscher eintragen müssen, um Zugriff auf einen der wenigen Supercomputer auf der Welt zu erlangen – und dann auch wieder nur für einen stark begrenzten Zeitraum – könnte dies durchaus ein Zukunftsmodell der modernen Forschung sein. Sozusagen die Nutzung der Schwarmintelligenz. Top3915

Hier finden Sie einen Link zu einer englischsprachigen Meldung mit erklärenden Grafiken.

Heftausgabe: August 2015

Über den Autor

Philip Bittermann, Redaktion
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