Ein internationales Team von Forschenden, darunter Mitarbeitende des Helmholtz-Zentrums Hereon, hat eine bahnbrechende Membrantechnologie entwickelt. Das Einzigartige: Sie kann elektrisch geladene Moleküle – sogenannte Ionen – ohne chemische Reaktionen oder bewegliche Teile transportieren. Die Ergebnisse, die jüngst in Nature Materials veröffentlicht wurden, stellen einen bedeutenden Fortschritt in der physikalisch-elektrochemischen Grundlagenforschung dar. Sie eröffnen neue Möglichkeiten für eine energieeffiziente Wasseraufbereitung.
Die Kontrolle der Bewegung von Ionen in Flüssigkeiten ist entscheidend für viele technologische und biologische Prozesse. Herkömmliche Methoden beruhen meist auf energieintensiven elektrochemischen Reaktionen. Die neu entwickelte Membran bietet eine Alternative: Sie verfügt über ultradünne Metallschichten auf beiden Seiten eines porösen Trägers. Wird eine niedrige elektrische Spannung schnell ein- und ausgeschaltet, durchlaufen die Metalloberflächen Lade- und Entladeprozesse,. Dabei erzeugen sie einen kontrollierten Ionenfluss. Dies ist das erste Mal, dass ein solcher Effekt für den Ionentransport genutzt wurde.
Ionenpumpe für sauberes Wasser
Um das praktische Potenzial der Technologie zu demonstrieren, integrierte das Forschungsteam die Membran in ein kompaktes Entsalzungssystem, das vollständig ohne bewegliche Teile oder chemische Reaktionen arbeitet. In Labortests konnte das System den Salzgehalt von Wasser mithilfe sehr niedriger elektrischer Spannungen um die Hälfte reduzieren. Diese Ergebnisse unterstreichen das Potenzial der Membran für die Entwicklung hoch energieeffizienter Lösungen zur Wasserreinigung und Entsalzung.
Die Forschenden erwarten zudem, dass die Technologie Ionen mit identischer elektrischer Ladung anhand kleinster Unterschiede in ihrem Verhalten im elektrischen Feld unterscheiden kann. Dies könnte neue Ansätze ermöglichen – etwa für die Gewinnung von Lithium aus Meerwasser, die Entfernung von Schwermetallen aus Trinkwasser, fortschrittliches Batterierecycling sowie Diagnose- und Sensortechnologien der nächsten Generation.
Starke internationale Zusammenarbeit
Das Projekt vereinte Expertinnen und Experten aus Chemie, Materialwissenschaften, Elektrotechnik und Biotechnologie der University of California, Irvine, der Tel Aviv University, der University of Massachusetts Boston sowie des Lawrence Berkeley National Laboratory. Prof. Francesca Toma, Leiterin des Hereon-Instituts für Funktionale Materialien für Nachhaltigkeit in Teltow und ebenfalls am Berkeley Lab tätig, gehört zu den federführenden Forschenden, die das ursprüngliche Konzept der Studie entwickelten und maßgeblich an der Forschung beteiligt waren. „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“, sagt Toma zu den Forschungserfolgen.
Die Arbeit wurde von mehreren bedeutenden Forschungsförderinstitutionen unterstützt, darunter die National Science Foundation, das US-amerikanische Energieministerium und der Europäische Forschungsrat. Das Projekt unterstreicht die Bedeutung globaler wissenschaftlicher Zusammenarbeit und zeigt, wie interdisziplinäre Forschung Lösungen für Herausforderungen mit hoher Umwelt- und gesellschaftlicher Relevanz hervorbringen kann.