Wasseraufbereitung revolutionieren: die Zukunft der solaren Entsalzung durch künstliche Bäume

Auf der Suche nach innovativen Lösungen gegen Wasserknappheit widmet sich dieses Dokument dem faszinierenden Konzept, künstliche Bäume für die solare Entsalzung einzusetzen. Es erörtert detailliert die physikalischen Prinzipien wie Adhäsion, Kohäsion und den Kapillareffekt, die dieser Technologie zugrunde liegen. Durch die Nutzung der Oberflächenspannung und der natürlichen Kapillarwirkung, die in Bäumen zu beobachten ist, skizziert das Dokument eine mögliche Methode zur Verbesserung von Entsalzungsprozessen. Dieser Ansatz verspricht nicht nur Energieeffizienz, sondern lässt sich auch von der Natur inspirieren, um eine der drängenden Umweltherausforderungen unserer Zeit anzugehen: die nachhaltige Wasseraufbereitung.

Adhäsion ist der physikalische Zustand einer Grenzflächenschicht zwischen zwei kondensierten Phasen, die miteinander in Kontakt kommen, d. h. Feststoffen und Flüssigkeiten mit vernachlässigbarem Dampfdruck. Der Zustand ist durch molekulare Wechselwirkungen in der Grenzflächenschicht gekennzeichnet, die einen mechanischen Zusammenhalt der beteiligten Phasen bewirken. In den meisten Fällen beruht der Zusammenhalt zwischen den beteiligten Materialien auf physikalischen Wechselwirkungen. Ist die Oberfläche ausreichend rau, kann es auch zu einer mechanischen Verzahnung der Materialien kommen. Gehen die Materialien zusätzlich eine chemische Bindung miteinander ein, entsteht in der Regel eine besonders feste und dauerhafte Verbindung. Beispiele für die Bildung chemischer Bindungen zwischen Bindemitteln und bestimmten Materialien sind Silikon und Glas, Polyurethan und Holz oder Epoxidharz und Aluminium. In Physik und Chemie bezeichnet Kohäsion die Bindungskräfte zwischen Atomen und Molekülen innerhalb eines Stoffes. Die Kräfte sorgen für dessen Zusammenhalt. Sie wirken in Gasen, Flüssigkeiten oder Festkörpern und führen an den Oberflächen eines flüssigen Stoffes zur Oberflächenspannung. Der Kapillareffekt beschreibt das Verhalten von Flüssigkeiten in Kapillaren, also ausreichend engen Röhren, Spalten oder Hohlräumen mit nicht verformbaren Oberflächen aus Festkörpern. Er wird bestimmt durch die Oberflächenspannung der Flüssigkeit (Kohäsion) und die Grenzflächenspannung zwischen der Flüssigkeit und der festen Oberfläche (Adhäsion) bzw. die Benetzbarkeit der festen Oberfläche mit der Flüssigkeit. Da das Gewicht der Flüssigkeit in engen Hohlräumen gering ist, überwiegt die Kapillarkraft die Schwerkraft und hilft beispielsweise Bäumen, Wasser bis zu 100 Meter aus den Wurzeln aufsteigen zu lassen.

Steighöhe h in der Kapillare:

h = 2*σ*cos(θ) / ρ*g*r

σ = Oberflächenspannung

θ = Kontaktwinkel

ρ = Dichte der Flüssigkeit

g = Erdbeschleunigung

r = Radius der Röhre

Für ein wassergefülltes, zur Luft offenes Glasrohr auf Meereshöhe (1.013,25 hPa) gilt:

σ = 0,0728 J/m² bei 20 °C

θ = 20° = 0,35 rad

ρ = 1000 kg/m³ g = 9,81 m/s²

Benetzung: Ist die Bildung einer Grenzfläche zwischen einer Flüssigkeit und einem Festkörper.

Benetzbarkeit ist die zugehörige Eigenschaft der festen Oberfläche. Im Verlauf von Benetzungsvorgängen vergrößert sich die Kontaktfläche zwischen der benetzenden Flüssigkeit und der benetzten festen Oberfläche, bis ein statischer Zustand erreicht ist, der durch das Bestehen einer konstanten Kontaktfläche gekennzeichnet ist. Das Ausmaß der Benetzung hängt von der Art der Flüssigkeit und der Beschaffenheit der festen Oberfläche ab, etwa ihrer chemischen Zusammensetzung und Rauheit. Benetzungsphänomene sind relevant für das Beschichten, Lackieren und Bedrucken von Oberflächen, die Verteilung von Herbiziden und Insektiziden auf landwirtschaftlichen Flächen, die Filtration und die Dispersion. Wenn man von Benetzung spricht, beschreibt man das Verhalten von Flüssigkeiten, wenn sie mit der Oberfläche von Festkörpern in Kontakt kommen. Die zugehörige Eigenschaft der Oberfläche des Festkörpers ist die sogenannte Benetzbarkeit. Wie stark eine Flüssigkeit eine Oberfläche benetzt, hängt von verschiedenen Faktoren ab, etwa der Art der Flüssigkeit, dem Material bzw. der Oberfläche oder dem Zustand der Oberfläche. Die Benetzung steht in direktem Zusammenhang mit der Oberflächenspannung. Ist die Kohäsionskraft innerhalb eines Wassertropfens kleiner als die Adhäsionskraft gegenüber der Oberfläche des Festkörpers, breitet sich der Tropfen auf der Oberfläche des Festkörpers aus und benetzt sie vollständig. Ist die Kohäsionskraft dagegen größer als die Adhäsionskraft, nimmt der Wassertropfen eine kugelförmige Gestalt an, und die Oberfläche wird kaum benetzt. Viele Oberflächen haben selbst im sauberen Zustand eine unzureichende Benetzbarkeit, die durch Verunreinigungen noch verschärft wird, sodass Flüssigkeiten von Klebstoffen, Lacken und Farben abperlen.

Das liegt daran, dass die Oberflächenspannung sehr gering ist und für die Weiterverarbeitung nicht ausreicht. Wird unbehandeltes Material verarbeitet, haften Farbe und Lack oft nicht richtig und lösen sich schnell ab, oder verklebte Teile fallen auseinander. Dies lässt sich durch Plasmaaktivierung verhindern. Die Plasmaaktivierung einer Oberfläche erhöht ihre Oberflächenenergie und schafft Ankerpunkte für die aufgetragene Flüssigkeit. Das bedeutet, dass sie sehr gut haften kann. Die Plasmaaktivierung verändert die Oberfläche und baut Oberflächenenergie auf, was zu einer deutlich besseren Benetzbarkeit der Oberfläche führt.

Je kleiner der Kontaktwinkel bzw. die Oberflächenspannung, desto größer die Benetzungstendenz.

Oberflächenspannung ist das Phänomen, das in Flüssigkeiten infolge molekularer Kräfte auftritt, ihre Oberfläche klein zu halten. Dieser Effekt bewirkt zum Beispiel, dass Wasser Tröpfchen bildet, und trägt dazu bei, dass manche Insekten auf dem Wasser laufen können und eine Rasierklinge auf dem Wasser „schwimmen“ kann. Die Oberflächenspannung (Formelzeichen: σ, γ) ist eine Grenzflächenspannung, die zwischen Flüssigkeiten und Gasphasen auftritt. Sie wird in den SI-Einheiten N/m gemessen.

Oberflächenspannung von Wasser bei 20 °C = 72,75 mN/m.

Mechanische Definition: Die mechanische Definition lässt sich anhand eines Bügels der Breite L erklären, in den ein Flüssigkeitsfilm eingespannt ist. Wird der Flüssigkeitsfilm durch eine Kraft F parallel zur Oberfläche und senkrecht zu L um dx auseinandergezogen, wird am Film die Arbeit dW = F*dx verrichtet, und die Oberfläche wächst um dA = 2*L*dx (Faktor 2 wegen Vorder- und Rückseite des Films). Die Oberflächenspannung ist das Verhältnis γ = dW*dA = F*2*L. Dementsprechend ist die Oberflächenspannung eine Kraft pro Länge, die parallel zur Flüssigkeitsoberfläche gerichtet ist. Die Richtigkeit der Vorstellung der Oberflächenspannung als Kraft parallel zur Oberfläche zeigt sich in zahlreichen Messmethoden und Effekten wie der Bügelmethode, der Kapillarität oder dem Kontaktwinkel.

Die benetzende Kapillare (1) saugt das Wasser bis zur Steighöhe h (2) an, die vom Durchmesser abhängt und im oberen Bereich nach unten gekrümmt ist. Das Benetzungssieb (3) ist an der Spitze dünner als die Kapillare, und der Kontaktwinkel ist sehr klein, sodass die Flüssigkeit überläuft und am unteren Ende des Siebs abtropft.

Mehr dazu auf https://www.nature.com/articles/s41598-019-57109-z

Dabei geht es ebenfalls um einen künstlichen Baum (Quelle scienceSketch):

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Autor: Markus Schrems