Neue Membranen für Osmose-Kraftwerke

Changchun (China)/Peking (China) - Wird Salz- von Süßwasser über eine poröse Membran getrennt, können durch diese selektiv Ionen dank der Osmose wandern bis die Salzkonzentration ausgeglichen ist. Über zwei weitere Elektroden in den beiden Wasserbehältern fließt dabei ein kleiner elektrischer Strom. Bisher erreichen solche Osmose-Kraftwerke höchstens 2,2 Watt pro Quadratmeter Membranfläche. In der Fachzeitschrift „Science Advances“ berichten nun chinesische Wissenschaftler, dass sich diese Ausbeute mit dreidimensional strukturierten Janus-Membranen – bestehend aus zwei Materialien mit stark unterschiedlichen Eigenschaften - signifikant steigern lässt.

„Der größte Teil des Strom geht derzeit in der Membran selbst aufgrund des hohen inneren Widerstands und Aufheizeffekten verloren“, erläutern Yahong Zhou vom Technical Institute of Physics and Chemistry der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking und seine Kollegen die größte Hürde auf dem Weg zu effizienteren Osmose-Kraftwerk. Zudem lade sich eine Membran während der Ionenwanderung an der Oberfläche auf und verringere dadurch den weiteren Stromfluss. Doch mit einer halbdurchlässigen Membran, deren Ladungsdichte und Porösität sich kontrollieren lassen, könnten diese Probleme gelöst werden.

Für die doppelschichtige Membran wählten Zhou und Kollegen zwei verschiedene Kunststoffe. Das eine Material aus einem schwefelhaltigen Polyaryletherketon zeigte negative Oberflächenladungen im Wasser, der zweite Kunststoff aus einem Polyethersulfon mit aromatischen Pyridin-Gruppen dagegen positive. In einem nasschemischen Verfahren und anschließender Trocknung ließen sich diese beiden Schichten zu einer etwa elf Mikrometer dünnen Janus-Membran zusammenfügen. Etwa ein Viertel der Membranfläche war dabei von kleinen Poren mit Durchmessern zwischen 8 und 17 Nanometern durchsetzt.

Mit dieser Doppelmembran trennten die Forscher zwei Wasserreservoire voneinander. Der Salzgehalt einer Seite entsprach dem von Meerwasser, der andere dem von Flusswasser. Von der salzigeren Seite wanderten selektiv negativ geladene Chloridionen durch die Membran in das weniger salzige Wasser. Positiv geladene Kaliumionen konnten dagegen die Membran nicht durchdringen. Parallel zeigte sich über die Elektroden ein Stromfluss mit bis zu 2,66 Watt pro Quadratmeter. Den Wirkungsgrad bezifferten die Forscher mit gut 35 Prozent. Bei deutlich größeren, bis zu 500-fachen Unterschieden im Salzgehalt konnten die Forscher sogar die doppelte Strommenge erzeugen. Mit etwa einem drittel Volt Spannung und einem Strom von einem halben Mikroampere reichte die Ausbeute eines kleinen Prototyps zum Betrieb eines Taschenrechners aus.

Auch nach 120 Stunden Dauerbetrieb nahm der Stromfluss während dieser Versuche nicht ab. Zhou und Kollegen sind davon überzeugt, dass sich große Flächen aus Janus-Membranen ohne große Probleme fertigen lassen. Osmose-Kraftwerke mit diesen Membranen könnten an Flussmündungen, wo sich süßes Flusswasser mit salzigem Meerwasser durchmischt, installiert werden. Mit 1000 Quadratmeter Membranfläche - platzsparend angeordnet in einer mehrschichtigen Anlage – könnten rein rechnerisch etwa ein halbes Dutzend Haushalte dauerhaft ohne Schwankungen mit Strom versorgt werden. Interessant wäre diese Anwendung für einsam gelegene Standorte ohne Anschluss ans Stromnetz.