Laser steigert Wasserertrag von Nebelkollektoren

Mit gezielter Lasertechnik haben Forschende der TU Darmstadt und der Universität Kassel die Wassergewinnung papierbasierter Nebelkollektoren um mehr als zehn Prozent gesteigert. Das Verfahren könnte eine Schlüsseltechnologie für kostengünstige Trinkwasserlösungen in trockenen Regionen werden.

Laut dem aktuellen Weltwasserbericht der Vereinten Nationen haben weltweit über zwei Milliarden Menschen keinen Zugang zu sicherem Trinkwasser – Tendenz steigend. In nebelreichen Regionen wie Küsten oder Gebirgen bieten Nebelkollektoren bereits heute eine Möglichkeit, aus der Luft Wasser zu gewinnen. Dabei kondensieren feinste Tröpfchen an speziellen Netzen oder Oberflächen, fließen ab und werden gesammelt. Ein erheblicher Teil des Wassers geht jedoch verloren, weil Tropfen durch Wind abgetragen werden oder nicht ausreichend haften bleiben.

Gezielte Laserstrukturierung

Forschungsteams der TU Darmstadt und der Universität Kassel haben nun ein Verfahren entwickelt, mit dem die Wassergewinnung papierbasierter Nebelkollektoren gezielt verbessert wird. Sie nutzen superhydrophob – also stark wasserabweisend – beschichtete Papiere aus einem umweltfreundlichen Wachs-Cellulose-Gemisch, die an der TU Darmstadt entwickelt wurden. Das Kasseler Team bearbeitete diese Papiere mit Ultrakurzpuls-Lasern, wodurch die wasserabweisende Beschichtung auf mikroskopisch kleinen Flächen entfernt wird. So entstehen benetzbare Sammelpunkte, an denen sich Wassertropfen anlagern, wachsen und über lasererzeugte Mikrokanäle abfließen.

"Erstmalig ist so ein kontrollierter Transport von Wasser in vordefinierten Kanälen auf der Oberfläche von papierbasierten Nebelkollektoren möglich“, erklärt Prof. Markus Biesalski, Leiter des Fachgebiets Makromolekulare Chemie & Papierchemie an der TU Darmstadt.

Präzise Tropfenkontrolle

Ultrakurzpuls-Laser – sie arbeiten im Femtosekundenbereich – erlauben eine feine Strukturierung, ohne das Trägermaterial zu beschädigen. "Für uns ist entscheidend, dass wir die Stabilität des Papiers erhalten und nur die Benetzbarkeit durch Ultrakurzpuls-Laserablation gezielt beeinflussen", betont Prof. Camilo Florian-Baron, Leiter des Fachgebiets Extremes Licht für Werkstoffstrukturen an der Universität Kassel.

Die Zugfestigkeit des Papiers bleibt nach der Behandlung nahezu unverändert, während die strukturierte Oberfläche Wassertröpfchen besser haften und wachsen lässt, bis sie groß genug sind, um in die Sammelkanäle abzufließen – das optimiert die Wassergewinnung und reduziert zugleich den Verlust durch Wind deutlich.

"Die Vorteile des Laserabtrags liegen darin, dass er eine lokal begrenzte und kantenscharfe Strukturierung ermöglicht. Dadurch kann der Einfluss unterschiedlicher Muster auf die Tropfenbildung und den Flüssigkeitstransport gezielt untersucht werden", erläutert Kahlmeyer. In der Fachzeitschrift Advanced Materials Interfaces berichten die Forschenden, dass sich Tropfengröße, Haftung und Abflussrichtung durch Punkt- und Linienmuster steuern lassen.

Kostengünstig und umweltfreundlich

Die laserbasierten Strukturen entstehen ohne Chemikalien oder Maskierungsschichten – ein Fortschritt gegenüber bisherigen Verfahren, die häufig auf fluorhaltige oder lösungsmittelbasierte Beschichtungen angewiesen waren. Die beschichteten Papiere sind leicht, kostengünstig, recycelbar und großflächig herstellbar, was sie besonders für wasserarme Regionen attraktiv macht. Unter Laborbedingungen sammelten die optimierten Kollektoren über zehn Prozent mehr Wasser als unbehandelte Proben.

Vom Labor in die Praxis

Zukünftige Projekte sollen die Technologie nun in Freiluftversuchen testen, um Einflüsse von Klima, Wind und Staub zu untersuchen. Ebenso steht die Frage im Raum, wie sich die Strukturierung auf die Langzeitbeständigkeit des Papiers auswirkt.

Die Forschenden sehen großes Potenzial in der weiteren Optimierung der Lasermuster, etwa durch biomimetische Strukturen, die der Natur nachempfunden sind – zum Beispiel den Oberflächen von Käferflügeln oder Pflanzenblättern, die Wasser besonders effektiv ableiten. "Die Möglichkeit, das Benetzungsverhalten lokal und präzise zu steuern, eröffnet ganz neue Ansätze für nachhaltige Wassertechnologien", so Biesalski.