Ein internationales Forscherteam, zu dem auch Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Hereon gehören, hat eine wegweisende Membrantechnologie entwickelt, die das Potenzial hat, die Wasseraufbereitung revolutionär zu verändern. Diese neuartige Technologie ermöglicht den Transport von elektrisch geladenen Molekülen, bekannt als Ionen, ohne dass chemische Reaktionen oder bewegliche Teile erforderlich sind. Die Ergebnisse dieser Forschung wurden kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht und markieren einen bedeutenden Fortschritt in der physikalisch-elektrochemischen Grundlagenforschung.
Die Kontrolle über die Bewegung von Ionen in Flüssigkeiten ist für eine Vielzahl technischer und biologischer Prozesse von zentraler Bedeutung. Bisherige Methoden zur Ionenbewegung stützten sich meist auf energieaufwendige elektrochemische Reaktionen. Die neu entwickelte Membran bietet eine vielversprechende Alternative: Sie besteht aus ultradünnen Metallschichten, die auf beiden Seiten eines porösen Trägers aufgebracht sind. Durch schnelles Ein- und Ausschalten einer niedrigen elektrischen Spannung durchlaufen die Metalloberflächen Lade- und Entladeprozesse, wodurch ein kontrollierter Ionenfluss erzeugt wird. Dies ist das erste Mal, dass ein solcher Mechanismus gezielt für den Ionentransport genutzt wird.
Ein weiterer bedeutender Aspekt dieser Entwicklung ist die Demonstration des praktischen Potenzials der Technologie, die durch die Integration der Membran in ein kompaktes Entsalzungssystem verdeutlicht wurde. Dieses System benötigt keine beweglichen Teile oder chemischen Reaktionen, was es besonders effizient macht. In Labortests konnte das System den Salzgehalt von Wasser bei minimalem Energieverbrauch um bis zu 50 % reduzieren. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Membran das Potenzial besitzt, hoch energieeffiziente Lösungen für die Wasseraufbereitung und Entsalzung zu entwickeln.
Die Forscher sind optimistisch, dass diese Technologie in der Lage ist, Ionen mit identischer elektrischer Ladung zu unterscheiden, basierend auf kleinsten Unterschieden in ihrem Verhalten im elektrischen Feld. Dies könnte zu innovativen Anwendungen führen, wie der Gewinnung von Lithium aus Meerwasser, der Entfernung von Schwermetallen aus Trinkwasser und dem fortschrittlichen Recycling von Batterien. Darüber hinaus könnten neue Diagnose- und Sensortechnologien der nächsten Generation entwickelt werden.
Die Forschungsarbeit wurde von einem internationalen Team durchgeführt, das Experten aus verschiedenen Disziplinen vereint, darunter Chemie, Materialwissenschaften, Elektrotechnik und Biotechnologie. Zu den beteiligten Institutionen gehören unter anderem die University of California, Irvine, die Tel Aviv University und das Lawrence Berkeley National Laboratory. Prof. Francesca Toma, die am Helmholtz-Zentrum Hereon das Institut für Funktionale Materialien für Nachhaltigkeit leitet und ebenfalls am Berkeley Lab tätig ist, war maßgeblich an der Entwicklung des ursprünglichen Konzeptes und der Forschung beteiligt. Sie hebt hervor: „Diese Arbeit eröffnet neue Möglichkeiten für einen kontinuierlichen Ionentransport in Wasser mithilfe spezieller Mechanismen in nanoporösen Materialien. Über die grundlegenden Erkenntnisse hinaus könnte dieses Konzept neue Wege für energieeffiziente Entsalzung und selektive Ionentrennung eröffnen.“
Das Projekt wurde von verschiedenen bedeutenden Förderinstitutionen unterstützt, darunter die National Science Foundation, das US-Energieministerium und der Europäische Forschungsrat. Es verdeutlicht die Wichtigkeit globaler wissenschaftlicher Zusammenarbeit und zeigt, wie interdisziplinäre Forschung Lösungen für umwelt- und gesellschaftlich relevante Herausforderungen entwickeln kann.
Das Helmholtz-Zentrum Hereon hat sich dem Ziel verschrieben, eine nachhaltige und lebenswerten Welt zu fördern. Rund 1.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter arbeiten daran, neues Wissen und Technologien zu entwickeln, die zur Resilienz und Nachhaltigkeit beitragen. Die Forschung umfasst eine ständige Wechselwirkung zwischen experimentellen Studien, Modellierungen und dem Einsatz von künstlicher Intelligenz, um komplexe Systeme zu verstehen und praktische Anwendungen zu entwickeln. Durch die aktive Teilnahme an nationalen und internationalen Forschungsnetzwerken trägt das Hereon zur Gestaltung einer nachhaltigen Zukunft bei und unterstützt Politik, Wirtschaft und Gesellschaft mit wertvollen Erkenntnissen.
