Membrantechnologie für sauberes Wasser

Ein internationales Forschungsteam, dem auch Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Hereon angehören, hat eine neuartige Membrantechnologie entwickelt, die einen Meilenstein in der physikalisch-elektrochemischen Grundlagenforschung markiert. Die Besonderheit dieser Innovation liegt darin, dass elektrisch geladene Ionen ohne chemische Reaktionen oder bewegliche Teile transportiert werden können. Während die Kontrolle von Ionenbewegungen in Flüssigkeiten für zahlreiche technologische und biologische Prozesse essenziell ist, basieren herkömmliche Verfahren zumeist auf sehr energieintensiven Reaktionen.

Die Ergebnisse präsentieren hierzu eine effiziente Alternative. Die neue Membran nutzt ultradünne Metallschichten auf einem porösen Träger, die durch das schnelle Ein- und Ausschalten einer niedrigen elektrischen Spannung gezielte Lade- und Entladeprozesse durchlaufen. Auf diese Weise wird erstmals ein kontrollierter Ionenfluss allein durch diesen physikalischen Effekt erzeugt, was völlig neue Perspektiven für eine energiesparende Wasseraufbereitung eröffnet.

Durchbruch in der Entsalzungstechnologie

Um das praktische Potenzial dieser Technologie zu demonstrieren, integrierte das Forschungsteam die Membran in ein kompaktes Entsalzungssystem. Dieses kommt vollständig ohne bewegliche Teile oder chemische Reaktionen. In Labortests gelang es bereits, den Salzgehalt von Wasser allein durch sehr niedrige elektrische Spannungen um die Hälfte zu reduzieren. Das unterstreicht die Relevanz für hoch energieeffiziente Lösungen zur Wasserreinigung. Darüber hinaus erwarten die Forschenden, dass die Technologie Ionen mit identischer elektrischer Ladung anhand minimaler Verhaltensunterschiede im elektrischen Feld präzise unterscheiden kann. Diese Fähigkeit eröffnet zukunftsweisende Ansätze für die Gewinnung von Lithium aus Meerwasser, die Entfernung von Schwermetallen aus Trinkwasser, ein fortschrittliches Batterierecycling sowie für Diagnose- und Sensortechnologien der nächsten Generation.

Internationale Zusammenarbeit

Dieses interdisziplinäre Projekt vereinte Expertinnen und Experten der Chemie, Materialwissenschaften, Elektrotechnik und Biotechnologie von der University of California, Irvine, der Tel Aviv University, der University of Massachusetts Boston sowie dem Lawrence Berkeley National Laboratory. Maßgeblich an der Entwicklung des ursprünglichen Konzepts beteiligt war Prof. Francesca Toma. Sie erklärt: „Diese Arbeit stellt eine neue Möglichkeit vor, kontinuierlichen Ionentransport in Wasser durch die Nutzung spezieller Mechanismen in nanoporsen Materialien zu ermöglichen. Über die grundlegenden Erkenntnisse hinaus könnte das Konzept neue Wege für energieeffizientere Entsalzung und selektive Ionentrennung eröffnen. Es ist besonders faszinierend zu sehen, wie eine Idee, die vor Jahren entwickelt wurde, durch internationale Zusammenarbeit und Ausdauer zu einem wirkungsvollen wissenschaftlichen Beitrag mit technologischem Potenzial heranwuchs“. Unterstützt durch bedeutende Institutionen wie die National Science Foundation, das US-Energieministerium und den Europäischen Forschungsrat, unterstreicht das Vorhaben die Relevanz globaler wissenschaftlicher Zusammenarbeit für die Lösung drängender ökologischer und gesellschaftlicher Herausforderungen.

Forschung für Resilienz und eine lebenswerte Zukunft

Die Wissenschaft am Helmholtz-Zentrum Hereon widmet sich mit rund 1000 Mitarbeitenden dem Erhalt einer lebenswerten Welt. Sie stärkt durch neue Technologien die Resilienz und Nachhaltigkeit zum Wohle von Klima, Küste und Mensch. Der Weg von der ersten Idee bis zur Innovation wird dabei durch ein stetiges Wechselspiel aus Experimentalstudien, Modellierungen und künstlicher Intelligenz geebnet, wobei Digitale Zwillinge komplexe biologische oder klimatische Parameter digital abbilden. Dieser interdisziplinäre Ansatz schlägt die Brücke vom grundlegenden Systemverständnis hin zu praxisnahen Anwendungsszenarien. Als aktives Mitglied internationaler Netzwerke und der Helmholtz-Gemeinschaft unterstützt das Hereon zudem Politik, Wirtschaft und Gesellschaft durch den gezielten Transfer von Expertise bei der Gestaltung einer nachhaltigen Zukunft.

Quelle

Institut für Funktionale Materialien für Nachhaltigkeit (03/2026)