Chip Happens-Podcast Staffel 2, Folge 2 I Grundwasser: Der Grund für unser Überleben

Situation:

Von den Trilliarden Liter Wasser auf unserem Planeten sind nur etwa 2,5 Prozent Süßwasser, von dem wiederum ein Großteil in Eis gebunden ist. Lediglich 0,59 Prozent des Wassers auf der Erde ist demensprechend zugängliches Süßwasser in Seen, Flüssen und im Untergrund. In Deutschland liegt der Grundwasserspiegel je nach Region bei wenigen Zentimetern bis über 100-Metern Tiefe.

Problemstellung:

Der Klimawandel verändert die Dynamik unseres Wasserhaushalts: Längere und heißere Sommer steigern die Verdunstung und bewirken, dass Regen seltener, dafür aber intensiver fällt. Ausgetrocknete Böden können bei solchen Starkregenereignissen in kurzer Zeit deutlich weniger Wasser aufnehmen als bei regelmäßigen Niederschlägen. Infolgedessen gelangt mehr Regenwasser direkt über Flüsse ins Meer – mit der Folge, dass sich weniger Grundwasser bildet.

Lösungsansätze/Innovationspotenziale:

Einige werden sich noch aus der ersten Staffel erinnern: Die GRACE-/ und GRACE-Follow-On-Missionen können mithilfe von Satellitengravimetrie monatlich winzige Veränderungen im Schwerefeld der Erde messen und machen so großräumige Änderungen der gespeicherten Wassermengen sichtbar. Die räumliche Auflösung liegt bei dieser Technologie bei ca. 300 Kilometern. Mit Hilfe dieser Analysen können Bedürfnisse sehr genau erkannt und konkrete Lösungen gezielt getroffen werden.

Weiterer Forschungs-/Entwicklungsbedarf / Aktuelle Projekte:

Um den Folgen des Klimawandels auf unseren Wasserhaushalt entgegenzuwirken, braucht es Maßnahmen, die den Böden mehr Zeit geben, Regenwasser aufzunehmen. Dazu gehören naturnahe Rückhalteräume wie Flussauen, Feuchtwiesen oder andere Überflutungsflächen. In Städten tragen entsiegelte Flächen und die Ableitung von Regenwasser in Mulden statt in Kanäle dazu bei. Der Vorteil solcher Lösungen: Sie fördern nicht nur die Grundwasserneubildung, sondern schützen zugleich vor Hochwasser. Denn wenn Niederschlagswasser bei Starkregen langsamer abfließt, verringert sich die Gefahr, dass Flüsse und Bäche über die Ufer treten.

Situation:

Schon in der Antike haben griechische Seefahrer mithilfe von passiver Umkehrosmose und thermischen Verfahren Meerwasser zu Trinkwasser umgewandelt.  Das grundlegende Prinzip der Umkehrosmose wird auch heute noch in aktiver Form verwendet. Für nur ca. 50 Cent kann ein ganzer Kubikmeter Frischwasser erzeugt werden. Auch wenn man Meerwasserentsalzung eher mit Golfstaaten oder Australien assoziiert: In Deutschland gibt es heute schon mehr als 150 kommunale »Filtrationsanlagen«.

Problemstellung:

Meerwasserentsalzung hat vielerorts ein eher schlechtes Image. Hauptgrund dafür ist das gängige Umkehrosmose-Verfahren, das als energieintensiv, teuer und umweltschädlich gilt. Tatsächlich benötigen diese Anlagen viel Strom, um den hohen Druck für die Membranfiltration aufzubauen. Hinzu kommt, dass zum Schutz und zur Reinigung der Membranen Chemikalien eingesetzt werden. Diese gelangen über das Abwasser zurück in die Umwelt und können dort Pflanzen- und Tierleben beeinträchtigen. Auch das dabei entstehende hochkonzentrierte Salzwasser stellt ein ökologisches Problem dar, wenn es ins Meer zurückgeleitet wird.

Allerdings lassen sich viele dieser Nachteile abmildern – etwa durch den Einsatz erneuerbarer Energien zur Deckung des Strombedarfs oder durch zusätzliche Filterstufen, die Chemikalien und Salzrückstände vor der Einleitung ins Meer herausfiltern. Auf diese Weise kann die Meerwasserentsalzung nachhaltiger und umweltverträglicher gestaltet werden.

Lösungsansätze/Innovationspotenziale:

Trotz der bekannten Nachteile wird intensiv an alternativen Technologien zur Meerwasserentsalzung geforscht. Bei der Deutschen MeerwassErentsalzungs GmbH (DME) werden derzeit über 50 neuartige systematische Ansätze beobachtet. Grundsätzlich unterscheidet man dabei zwischen Verfahren, die eine Phasentrennung nutzen (z. B. durch Verdampfen oder Filtern) und solchen, die ohne diesen Schritt auskommen. Besonders vielversprechend sind etwa die Filtration durch entsalzende Mikrochips, die das Wasser gezielt von Salzionen trennen, oder biologische Verfahren, die sich am Prinzip der medizinischen Dialyse orientieren.

Solche Innovationen könnten den Energieverbrauch im Vergleich zur herkömmlichen Umkehrosmose um bis zu 90 Prozent reduzieren. Gleichzeitig eröffnen sie die Möglichkeit, dem Meerwasser nicht nur Süßwasser zu entziehen, sondern auch wertvolle Spurenelemente zurückzugewinnen. Damit könnten neue Technologien einen wichtigen Beitrag leisten, um die Entsalzung umweltfreundlicher, effizienter und nachhaltiger zu gestalten.

Weiterer Forschungs-/Entwicklungsbedarf / Aktuelle Projekte:

Neben neuen Verfahren liegt auch in der Materialinnovation bei Membranen für die Osmose großes Potenzial. Fortschritte in der Membranforschung könnten die Filter langlebiger, effizienter und weniger anfällig für chemische Belastungen machen. Werden solche Systeme zudem lokal mit erneuerbaren Energien kombiniert, lassen sich die laufenden Kosten erheblich senken.

Spannend ist auch der Blick in die Medizin und Biologie: In Kalifornien wurde bereits vor wenigen Jahren erstmals einem Menschen eine künstliche Niere eingesetzt – im Grunde eine winzige Entsalzungsanlage innerhalb eines Organismus. Parallel dazu untersuchen Forschende gezielt Organismen, die von Natur aus in der Lage sind, Meerwasser biologisch zu entsalzen. Solche natürlichen Prozesse könnten wertvolle Impulse für technische Anwendungen liefern und die Entsalzung langfristig noch nachhaltiger gestalten.