Der Klimawandel macht Wasser immer mehr zum begehrten Rohstoff. Zugleich sorgt Umweltverschmutzung dafür, dass sich derzeit in Deutschland eher vereinzelt auftretende Knappheiten noch weiter verschärfen könnten. Besonders gravierend ist das Problem aber in vielen Mega-Cities von Schwellenländern.

Für die angewandte Forschung stellt sich zusammen mit der Wasserwirtschaft daher die Frage, wie sich stark belastetes Schmutzwasser so säubern lässt, dass es gefahrlos und möglichst günstig wieder zu Trinkwasser wird. Einen viel versprechenden Lösungsansatz verfolgt ein Konsortium aus Forschenden und Mittelständlern um das Institut AMO, Mitglied der Zuse-Gemeinschaft.

Radikale „fressen“ Viren

Eine der wirksamsten Methoden zur Beseitigung organischer Verunreinigungen ist der Einsatz von hoch energetischem ultraviolettem (UV-)Licht. Der größte Nachteil: die hohen Energiekosten. "Die Situation lässt sich drastisch ändern, wenn wir Nanotechnologie einsetzen, um Licht effizienter zu nutzen", sagt Ulrich Plachetka von der AMO GmbH. Das Forschungsinstitut aus Aachen ist auf die Nano-Technologie spezialisiert. Das Entscheidende an der Nano-Technologie: Sie nutzt die Reaktionen, die sich an der Oberfläche von Stoffen, im Vergleich zu ihren Volumeneigenschaften, besonders intensiv abspielen.

Was das mit Kostensenkungen beim Einsatz von UV-Licht für die Wasserreinigung zu tun hat? Im Forschungsprojekt PEPcat, gefördert vom Bundesforschungsministerium, wollen sich Plachetka und sein Team Oberflächenreaktionen aus dem Nano-Reich zunutze machen, indem sie kostengünstig Radikale einsetzen. Konkret geht es um die hoch reaktive Verbindung aus einem Wasserstoff- und einem Sauerstoffatom, so genannte Hydroxyl-Radikale. Sie können andere Stoffe zersetzen, nicht nur pharmazeutische Rückstände, sondern z.B. auch Viren. Erzeugt werden die Radikalen im Wasser durch Ladungsträger.

Geringere Energiekosten

„Mit plasmonischen Antennen, die mit einer dünnen Schicht eines Photokatalysators wie Titandioxid (TiO₂) bedeckt sind, sollten wir in der Lage sein, die Produktion von Hydroxyl-Radikalen zu erhöhen und die Energiekosten des Prozesses deutlich zu senken", erklärt Plachetka.

Das Team um Plachetka erhofft sich, durch die spezielle Anordnung dieser Antennen eine gute Photokatalysator-Aktivität mit Sonnenlicht zu erreichen. Denn die Sonne schickt, anders als einzusetzendes UV-Licht, keine Stromrechnung für die Wasserreinigung. Wichtig ist, dass die plasmonischen Antennen mit einer dünnen Schicht eines Photokatalysators wie Titandioxid bedeckt sind. Je besser dieser Überzug mit Titandioxid, desto besser die Aussichten auf Kostensenkungen.

Internationales Projekt

PEPcat steht für "Energieeffiziente fortgeschrittene Oxidation zur Entfernung organischer Substanzen im Abwasser durch plasmonisch verstärkte Photokatalyse" und ist ein Projekt der AMO mit dem Institut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen, der Coatema Coating Machinery GmbH, der UMEX GmbH Dresden und der Holinger Ingenieure GmbH.

Das Projekt ist Teil der Förderinitiative "CLIENT II – Internationale Partnerschaften für nachhaltige Innovationen". Sie zielt darauf ab, mit Umwelttechnologie neue Märkte für innovative, exportorientierte Unternehmen, insbesondere aus dem Mittelstand, zu erschließen. Forschungsobjekt bei PEPcat ist der Großraum Peking. Die Mittel für das Projekt kommen aus Deutschland und China. (hp)