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Wasser bedeckt den größten Teil unseres Planeten, doch nur etwa 3 % davon sind trinkbar und für viele Bevölkerungsgruppen schwer zugänglich. Etwa 40 % der Weltbevölkerung leben in Gebieten, in denen Trinkwasser knapp ist – ein Problem, das durch den Klimawandel weiter verschärft wird. Alaa Ibrahim, Maschinenbauingenieurin an der Universität Luxemburg, promoviert derzeit zu Entsalzungssystemen – Verfahren, mit denen Salz aus Meerwasser entfernt wird, um es trinkbar zu machen.
Süßwasser auf der Erde, dargestellt als Tropfen.
Süßwasser von Meerwasser trennen
„Meine Forschung konzentriert sich auf ein Verfahren namens Membrandestillation, eine neuere Technik, bei der Wärme und spezielle Filter eingesetzt werden, um Süßwasser von Meerwasser zu trennen. Bei diesem Verfahren passiert Wasserdampf die Membran, während Salze und andere Verunreinigungen zurückgehalten werden. Sie kann energieeffizienter sein als traditionelle Methoden, wenn sie mit Niedertemperaturwärme betrieben wird, und eignet sich gut für kleine und abgelegene Anwendungen, steht aber noch vor Herausforderungen. Ich möchte ihr Design verbessern, damit sie dort, wo sie am dringendsten benötigt wird, bezahlbares sauberes Wasser liefern kann,“ erklärt Alaa Ibrahim, die ihre Doktorarbeit in der Forschungsgruppe Applied Thermodynamics (ATD) unter der Leitung von Prof. Stephan Leyer an der Fakultät für Naturwissenschaften, Technologie und Medizin schreibt.
Alaa Ibrahim
Alaa Ibrahim wird durch ein AFR-PhD-Stipendium des Luxembourg National Research Fund (FNR) unterstützt. Die Arbeit profitiert vom Wissensaustausch mit Forschern verschiedener Universitäten sowie mit einem führenden Unternehmen im Bereich der Membrandestillation, das ihre Forschung durch einen Standortbesuch und reale Betriebsdaten unterstützt. „Dies könnte uns helfen, unsere Ergebnisse anhand realer Bedingungen zu validieren,“ sagt Alaa Ibrahim.
Membrandestillation für nachhaltige Entsalzung
Die jüngste Forschung zur Membrandestillation (MD) hat zu erheblichen Verbesserungen geführt, was ihre Eignung für eine nachhaltige Entsalzung betrifft. Die Arbeiten konzentrierten sich auf die Entwicklung fortschrittlicher Membranmaterialien mit besserer thermischer Stabilität und höherer Beständigkeit gegen Fouling, d.h. die unerwünschte Anlagerung von Verunreinigungen. Aber auch auf die Optimierung des Systemdesigns, um den Wärme- und Stofftransport zu verbessern.
Alaa Ibrahim bei der Arbeit im Labor.
Aber es gibt weiterhin Herausforderungen; die wichtigste besteht darin, den Energieverbrauch zu senken und gleichzeitig eine hohe Effizienz sowie eine langfristige Membranleistung aufrechtzuerhalten.
Forscher widmen sich der Frage, wie sich die Membrandestillation unter realen Bedingungen über längere Zeit verhält. Aspekte wie Membranabbau, Wärmeverluste und begrenzte Daten zum Langzeitbetrieb stellen dabei die größten Herausforderungen dar. Weitere Untersuchungen sind auch erforderlich, um die Integration mit erneuerbaren Energien zu verbessern – ein entscheidender Faktor für eine nachhaltige und energieeffiziente Wasseraufbereitung.
Das Ziel: Membrandestillationssysteme verbessern
Alaa Ibrahim‘s Forschung zielt darauf ab, die Leistung von Membrandestillationssystemen zu verbessern, indem sowohl das Design als auch die Betriebsbedingungen optimiert werden.
Eine Methode besteht darin, speziell entwickelte Turbulenzförderer – sogenannte Spacer, einige davon von natürlichen Mustern inspiriert – einzusetzen, um den Wasserfluss und den Wärmetransport zu verbessern. Wir haben Turbulenzförderer mit spezifischen Merkmalen entwickelt, um die Durchmischung im Zulaufkanal zu verbessern. Diese wurden zunächst numerisch entworfen und analysiert und sie werden derzeit mithilfe von Simulationen und Laborexperimenten getestet. Erste Ergebnisse zeigen einen besseren Wärme- und Stofftransport, was die Gesamteffizienz des Systems erhöht. Das ist ein vielversprechender Schritt hin zu einer wirksameren und praktischeren Membrandestillation.
Alaa Ibrahim, Universität Luxemburg
Links: Von der Natur inspirierte Spacer; Rechts: herkömmliche Spacer.
Ich untersuche außerdem, wie Temperaturgradienten und Veränderungen der Salzkonzentration im Inneren des Systems die Effizienz und Stabilität beeinflussen. Diese Erkenntnisse sind entscheidend, um die Technologie zu skalieren. Durch die Kombination innovativer Designs mit einem tieferen Verständnis des Prozessverhaltens soll die Membrandestillation energieeffizienter, zuverlässiger und praktischer für eine Vielzahl von Anwendungen werden – von industrieller bis hin zu privater Nutzung.
Alaa Ibrahim, Universität Luxemburg
MEHR ÜBER ALAA IBRAHIM
Ihre Forschung in einem Satz
„Meine Forschung konzentriert sich darauf, die Entsalzung effizienter zu machen, indem Membrandestillationssysteme durch innovative Designs verbessert werden, die den Wärme- und Stofftransport optimieren, um mit weniger Energie mehr Süßwasser zu erzeugen.“
Eindrücke aus der Zusammenarbeit mit der Industrie
„Die Industrie konzentriert sich darauf, Lösungen schnell und effizient umzusetzen, mit engen Fristen und konkreten Zielen. Die Wissenschaft hingegen lässt mehr Zeit für vertiefte Forschung, Experimente und das Verständnis grundlegender Prinzipien.“
Wie die Industrie von der Zusammenarbeit mit der Wissenschaft profitiert und umgekehrt
„Die Industrie profitiert von der Zusammenarbeit mit öffentlichen Forschern, indem sie Zugang zu innovativen Ideen, fortschrittlichen Methoden und den neuesten wissenschaftlichen Entwicklungen erhält, die ihre Technologien und Prozesse verbessern können. Im Gegenzug profitiert die Wissenschaft davon, Forschung in größerem Maßstab zu testen und zu validieren, Einblicke in reale Herausforderungen zu gewinnen und sicherzustellen, dass ihre Arbeit praktische Wirkung entfaltet. Diese Partnerschaften tragen dazu bei, die Lücke zwischen Theorie und Anwendung zu schließen und den Fortschritt in beiden Bereichen voranzutreiben.“
Autor: Alaa Ibrahim (Universität Luxemburg)
Redaktion: Emily Iversen (FNR)
Video und Fotos von Alaa Ibrahim: Emily Iversen (FNR)
Illustrationen: Alaa Ibrahim
Übersetzung: Michèle Weber (FNR)
