Entsalzung per Membran Wasserfilter nach Zellvorbild

Die Natur ist der Technik in vielen Bereichen einen Schritt voraus. So ist der Transport von Wasser durch die Zellmembranen in unserem Körper kein Problem. Die technische Anwendung von Membranen zur Entsalzung von Wasser ist bisher jedoch nur teuer und ineffizient möglich. Nun haben Forscher sich von der Biologie inspirieren lassen, und neue Membransysteme entwickelt, die herkömmliche Modelle bezüglich der Filterleistung um ein Vielfaches übertreffen sollen.

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Austin/USA – Wasser wird eine immer wertvollere Ressource darstellen. Genauer gesagt: Süßwasser. Denn das ist schon heute in vielen Teilen der Erde Mangelware. Um Dürren und Wasserknappheit entgegenzuwirken, wäre es ein enormer Fortschritt, auch Salzwasser zum Trinken und für die Landwirtschaft nutzbar zu machen.

Wassertransport im Körper

Ein Forscherteam unter der Leitung von Manish Kumar von der University of Texas bei Austin hat sich die Entsalzung von Wasser zum Ziel gesetzt. Dazu haben die Wissenschaftler sich beim menschlichen Körper inspirieren lassen. Dort transportieren die Zellen ununterbrochen Wasser durch ihre Membran. Dies erfolgt über verschiedene Kanäle, die gezielt bestimmte Moleküle oder Ionen ausschließen bzw. passieren lassen.

Eine Sorte dieser Kanäle bilden die so genannten Aquaporine, eine wichtige Gruppe von Membranproteinen. Sie formen Poren in den Membranen von Zellen verschiedener Körperregionen wie Augen, Nieren und Lunge, wo ein besonders hoher Wassertransport sichergestellt sein muss.

Wasserzüge im Membrannetzwerk

Ein solches Transportsystem künstlich nachzubilden, gelang den Forschern jedoch nicht wie erhofft. Zwar gelang es ihnen, Membranen nach dem Vorbild der Aquaporine herzustellen. Diese waren jedoch erheblich leistungsschwächer als die biologische Variante.

Als die Wissenschaftler aber mehrere Membranen zu einem Netzwerk verknüpften, führte dies zu dem erhofften Erfolg. Darin bewegten sich die Wassermoleküle in Form von langen, dicht miteinander verbundenen Ketten, ähnlich wie die Wagen eines Zuges in einem Tunnel. Der Transport dieser „Wasserzüge“ war den Forschern zufolge außerordentlich schnell.

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Die vernetzten künstlichen Membranen könnten sich aus Sicht der Wissenschaftler für die Entsalzung von Wasser eignen. Diese ist bisher nur ineffizient und teuer über Filtrationsverfahren realisierbar. „Unsere Methode ist in Bezug auf ihre Selektivität und Durchlässigkeit tausendmal effizienter als die derzeitigen Entsalzungsverfahren“, sagt Forschungsleiter Kumar. „Aktuelle Entsalzungssysteme erreichen eine Wasserreinheit von einem Salzteilchen pro 10.000 Wassermoleküle. Mit unserer neuen Membrantechnologie steigt die Reinheit auf ein Salzteilchen pro Zehnmillionen Wassermoleküle, wobei die Transportgeschwindigkeit vergleichbar oder gar größer als bei herkömmlichen Membranen ist“, ergänzt der Forscher.

Originalpublikation: Woochul Song, Himanshu Joshi, Ratul Chowdhury, Joseph S. Najem, Yue-xiao Shen, Chao Lang, Codey B. Henderson, Yu-Ming Tu, Megan Farell, Megan E. Pitz, Costas D. Maranas, Paul S. Cremer, Robert J. Hickey, Stephen A. Sarles, Jun-li Hou, Aleksei Aksimentiev & Manish Kumar: Artificial water channels enable fast and selective water permeation through water-wire networks, Nature Nanotechnology (2019); DOI: 10.1038/s41565-019-0586-8

* A. Lee, Cockrell School of Engineering, University of Texas at Austin, 78712 Austin, TX/USA

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