StSP Bionik Untersuchungen über den Zustand tensilen Wassers in Bäumen

Stipendiatin/Stipendiat: Dr. Christian Tötzke

Angesichts des weltweit steigenden Wasserbedarfs bei gleichzeitiger Ressourcenverknappung gehört die Erschließung neuer Wassertechnologien zu den dringlichen Aufgaben unserer Zeit. Anregungen hierfür kann die Natur liefern: Bäume haben im Laufe der Evolution einen solargetriebenen Pumpmechanismus entwickelt, über den sie ihren Wasserbedarf decken. Die Verdunstung von Wasser in den mikroporösen Strukturen ihrer Blätter schafft hohe Unterdrücke in den Wasserleitbahnen (Xylem). Eindrucksvolle Beispiele für die Wirksamkeit dieses Mechanismus stellen Mammutbäume dar, die Wasser bis in Höhen von über 100m fördern. Auf der anderen Seite gelingt es Roten Mangroven den Transpirationssog zu nutzen, um Meerwasser durch selektive Membranen zu ziehen und so zu entsalzen. Aus Sicht der Thermodynamik ist dieser solare Pumpmechanismus bemerkenswert, da das geförderte Wasser unter Spannung steht, d.h. es weist den Zustand einer überhitzten Flüssigkeit auf, ist also thermodynamisch nur metastabil. Die Etablierung dieses Zustands durch Aktivierung intermolekularer Kohäsionskräfte ermöglicht es Bäumen, die für technische Saugpumpen gültige thermodynamische Beschränkung der Förderhöhe auf 10m zu umgehen. Obwohl ein enormes Anwendungspotenzial, z.B. auf dem Gebiet der Meerwasserentsalzung, existiert, ist es bisher nicht gelungen, das von den Pflanzen genutzte Prinzip für technische Anwendungen zu erschließen. Vor diesem Hintergrund besteht das Ziel des Forschungsvorhabens in der Realisierung eines künstlichen Systems, das den beschriebenen Pumpmechanismus technisch umsetzt. Das intensive Studium des biologischen Vorbildes sowie strukturelle Untersuchungen des gedehnten Wassers sollen die zu Grunde liegenden Funktionsprinzipien detailliert offen legen und den Entwurf eines Prototypen einer solaren Entsalzungsanlage ermöglichen. In dieser Apparatur sind hohe tensile Spannungen zu erzeugen, mit deren Hilfe das Salzwasser durch eine semipermeable Membran gezogen wird. Die Verwendung künstlicher mesoskopischer Kapillarstrukturen soll den Aufbau eines entsprechenden Wasser-Potential-Gradienten gestatten. Dabei ist sowohl die Nanostrukturierung der Verdunstungseinrichtung als auch die Schaffung und Aufrechterhaltung einer hohen Hydrophilie der mesoskopischen Innenoberflächen der Kapillaren von großer Bedeutung. Eine weitere Herausforderung stellt die Extraktion des unter Spannung stehenden entsalzten Wassers dar.

Förderzeitraum:
01.06.2005 - 31.05.2008

Institut:
Freie Universität Berlin
Fachbereich Biologie, Chemie, Pharmazie
Institut für physikalische und theoretische Chemie

Betreuer:
Prof. Dr. Helmut Tributsch

E-Mail: E-Mail schreiben

URL: http://www.hmi.de

Publikationen:

Solarenergienutzung über kohäsives Wasser
Solarenergienutzung über kohäsives Wasser