Angesichts des Klimawandels, der Umweltverschmutzung und der Bevölkerungszahl besteht die Gefahr, dass die Menschheit ihre wichtigste Ressource - das Süßwasser - verbraucht.

Das Problem ist so gravierend, dass von 2025 erwartet wird, dass 1.8 Milliarden Menschen in Gebieten mit absoluter Wasserknappheit leben, und ⅔ der Welt könnte unter wasserstressbedingten Bedingungen leben Vereinten Nationen warnt.

Wasserknappheit kann zu weitverbreitetem Tod und Krankheiten führen und zur Vertreibung von Hunderten Millionen Menschen weltweit führen.

In diesem Artikel stellen wir die jüngsten Bemühungen mehrerer Universitäten zur Bewältigung der globalen Wasserkrise heraus.

Was ist Wasserknappheit?

Wasserknappheit kann aufgrund von physischer Knappheit, mangelnder Versorgung von Institutionen oder mangelnder Infrastruktur auftreten.

Die Vereinten Nationen berichteten, dass der Wasserverbrauch im vergangenen Jahrhundert um mehr als das Doppelte des Bevölkerungswachstums gestiegen ist, was dazu geführt hat, dass immer mehr Regionen Schwierigkeiten hatten, Wasser aus zuverlässigen Quellen zu beziehen.

Da Süßwasser nur etwa 2.5 Prozent der Wasserversorgung der Erde ausmacht, haben Gebiete auf der ganzen Welt Probleme, den Bevölkerungsbedarf zu decken.

Es gibt derzeit 844 Millionen Menschen, die keinen Zugang zu sauberem Wasser haben, was mehr Todesfälle pro Jahr verursacht als Gewalt oder Krieg.

Wo bekommen wir unser Wasser?

Von den 2.5-Prozent des für den menschlichen Verzehr verfügbaren Süßwassers sind nur etwa 1-Prozent davon leicht zugänglich, da ein Großteil davon in Gletschern und Schneefeldern eingeschlossen ist.

Grundwasser ist die größte Süßwasserquelle der Welt und versorgt über 50 Prozent der US-Bevölkerung mit Trinkwasser.

Leider wird das Grundwasser in vielen Teilen der Welt, einschließlich der USA, aufgrund der Überpumpung von Grundwasserleitern schnell aufgebraucht Aquifers sind unterirdische Schichten von wasserführenden Gestein permeable oder loser Materialien, wie Kies, Sand oder Schlick, aus dem Grundwasser und ein Wasser extrahiert werden kann.

Das Grundwasser wird so schnell abgebaut, dass die Grundwasserleiter in Indien, Südspanien und Italien zwischen 2040 und 2060 abgebaut werden könnten, während die Grundwasserleiter im kalifornischen Zentraltal, im Tulare-Becken und im südlichen San Joaquin-Tal früher abgebaut werden könnten.

Darüber hinaus beginnen in den USA große Süßwasserquellen wie der Colorado River und der Lake Mead in Arizona auszutrocknen.

Laut Das WasserprojektEinige Forscher glauben, dass Lake Mead, der 22 Millionen Menschen in den USA mit Wasser versorgt, von 2021 trocken sein könnte.

Die Bemühungen der Universität, die Wasserkrise zu lindern

Obwohl die Zahlen entmutigend sein können, gab es zahlreiche Anstrengungen der Universitäten zur Linderung der Wasserkrise.

Von der Filtration bis zur Entsalzung, hier sind einige Beispiele für die außergewöhnliche Arbeit, die Universitäten in letzter Zeit geleistet haben.

MIT, das Brackwasser verwendet

Laut MIT-Forschern ist eine Möglichkeit, die Wasserkrise zu lösen, ein Blick über das Süßwasser hinaus.

Die Forscher haben einen Weg gefunden Entsalzung verschiedener Zusammensetzungen von Brackwasser - Ein Grundwassertyp, der mehr Salz enthält als Süßwasser, jedoch nicht so viel wie Meerwasser.

Die Menge an Brackwasser in den USA ist ungefähr 800-mal so groß wie die Gesamtmenge an Grundwasser, das landesweit entnommen wird, und dennoch stammt weniger als 1-Prozent der Wasserversorgung des Landes aus dieser Quelle.

Den Forschern zufolge könnte die Verwendung von nur einem Bruchteil des reichlich vorhandenen Brackwassers in den USA die Aussichten für wasserhungrige Gemeinschaften dramatisch verbessern.

„Die USA haben mehr brackiges Grundwasser als frisches Grundwasser. Und ein Großteil des Süßwassers der Welt wird intensiv genutzt, so dass viele Süßwasser-Grundwasserleiter Anzeichen eines Rückgangs aufweisen “, sagte er John Lienhard, Direktor der Abdul Latif Jameel Weltlabor für Wasser und Lebensmittelsicherheit am MIT.

Lienhard und sein Team nutzten die Thermodynamik, eine Wissenschaft, die sich mit der Beziehung zwischen Wärme und Energie befasst, um zu untersuchen, wie unterschiedliche Zusammensetzungen von Brackwasser die für die Entsalzung benötigte Energie beeinflussen.

Auf diese Weise konnten die Forscher einen großen Datenbestand über die Prozesse und Anforderungen für die Entsalzung von Brackwasser erstellen sowie eine Karte von Gebieten in den USA und der Welt mit potentiell nutzbaren Brackwasserquellen.

„Die wachsende Bevölkerung und ein sich erwärmendes und variableres Klima stellen unsere Städte, Bauernhöfe und die Industrie vor beispiellose Herausforderungen“, sagte Lienhard.

„Die nachhaltige Nutzung von Brackwasser durch Entsalzung kann zur Erweiterung unserer Süßwasserversorgung beitragen. Dieser Ansatz kann ein Bestandteil einer integrierten Wasserwirtschaftsstrategie für die vielen Teile der Welt sein, die von Wasserknappheit bedroht sind. “

CMU, anlagenbasierte Mechanismen zur Wasserfiltration

Eine andere Methode, die wasserarmen Gebieten vor allem in subtropischen oder tropischen Regionen wie Indien helfen könnte, ist die Verwendung von Pflanzenmaterialien als Mittel zum Filtern von verunreinigtem Wasser.

Forscher an der Carnegie Mellon University haben eine Methode entwickelt, um Samenproteine ​​der Moringa Oleifera-Pflanze, einer kommerziell wertvollen Pflanze, die in Indien beheimatet ist, mit Sandfiltrationstechniken zu kombinieren, um einen einfachen und effektiven Filtrationsmechanismus zu erzeugen.

Das resultierende Medium heißt „f-Sand“ und arbeitet mit entgegengesetzten elektrischen Ladungen.

„Sand ist meist negativ geladen. Die Proteine ​​aus den Samen von Moringa oleifera sind positiv geladen, und die meisten der suspendierten Verunreinigungen (suspendierter Ton oder andere mineralische Partikel, Bakterien, die natürlicherweise in der Umwelt vorhandenes organisches Material zersetzen), die aus dem Wasser entfernt werden müssen, um es trinkbar zu machen, sind negativ geladen. " sagte Bob Tilton, der Chevron-Professor für Chemieingenieurwesen und Biomedizintechnik an der CMU.

Zur Vorbereitung von f-Sand, erklärte Tilton, werden die wasserlöslichen Proteine ​​zuerst aus den Samen extrahiert, indem sie zerkleinert und in Wasser getränkt werden. Die resultierende Lösung wird dann in eine sehr dicke, feuchte Mischung aus Sand und Wasser gegossen, die als Aufschlämmung bezeichnet wird.

Zu diesem Zeitpunkt zieht die negative Sandladung die positive Proteinladung an, wodurch die Proteine ​​am Sand haften bleiben und anschließend „F-Sand“ bilden. Das überschüssige Wasser kann dann abgelassen und der F-Sand eingegossen werden in eine Spalte

Um dann den f-Sand zu verwenden, würde man einfach Wasser durch die Säule gießen, und die negativ geladenen Verunreinigungen würden an den positiv geladenen Proteinen auf den Sandkörnern haften bleiben, wodurch ein einfaches und einfallsreiches Filtrationssystem geschaffen wird.

Tilton erklärt, dass F-Sand von lokalen Benutzern leicht angepasst werden kann, da die Technik nur wenige Werkzeuge und relativ einfache Arbeit erfordert.

"Systeme könnten so eingerichtet werden, dass sie auf einer sehr lokalisierten Ebene funktionieren, wahrscheinlich sogar auf der Ebene einzelner Haushalte", sagte Tilton.

UT Dallas / Penn State, Wasser-Ernte-Technologie von Käfern inspiriert

In einer weiteren kreativen Weise, um unsere wachsende Wasserkrise zu lindern, haben Forscher der Universität von Texas in Dallas und der Penn State University eine Oberfläche entwickelt, die es möglich macht sammeln Sie schnell Wassermoleküle aus Nebel und Luft und leiten sie in Richtung eines Reservoirs entlang geschmierter Mikrorillen.

Die „hydrophile, gerichtete, rutschige Oberfläche“ (SRS) wurde von dem Prozess inspiriert, bei dem sich lebende Organismen wie Wüstenkäfer, Kannenpflanzen und Reisblätter auf natürliche Weise ansammeln und Wasser leiten.

"Wüstenkäfer verwendeten hydrophile Beulen, um Wassertröpfchen von Nebel zu absorbieren, und verwendeten gemusterte hydrophobe Wachse, um diese Tröpfchen zum Trinken zu entfernen", sagte er Simon Dai, Assistant Professor für Maschinenbau an der Erik Jonsson School of Engineering und Informatik an der UT Dallas.

Während die hydrophilen Stöße auf Wüstenkäfern demonstrieren, wie man Wassertröpfchen aus der Luft sammelt und kombiniert, zeigen die rutschigen Oberflächen von Kannenpflanzen und die winzigen Richtungsrillen auf Reisblättern, wie man die Wassertröpfchen schnell zu einem Reservoir leitet.

Die Kombination dieser natürlichen Designs schafft eine Oberfläche, die Wassertröpfchen effizient auffangen und lenken kann.

Um die Water-Harvesting-Technologie zu erstellen, konstruierten die Forscher eine Oberfläche und ätzten gerichtete, nanogroße Strukturen hinein. Sie beschichteten dann die Oberfläche mit einem hydrophilen flüssigen Schmiermittel.

Das Schmiermittel dient einem doppelten Zweck, indem es Wasser anzieht und eine rutschige Oberfläche erzeugt, so dass sich die Wassertröpfchen, die sich bilden, leicht abwärts bewegen und sich zu größeren Tröpfchen verbinden können.

"Wir haben unsere gerichteten, rauen Oberflächen mit einem hydrophilen, flüssigen Schmiermittel infundiert, das molekular beweglich ist, sodass das gesammelte Wasser zu größeren Tropfen verschmelzen kann", sagte Dai in einer Erklärung.

„Darüber hinaus ist das Material skalierbar. Im Gegensatz zu den von Käfern inspirierten Oberflächen, auf denen Wassertröpfchen nur in bestimmten Bereichen entstehen, können wir kleine oder große Oberflächen erzeugen, die Wasser überall auf der Oberfläche schnell einfangen und bewegen können. “

Die Kombination von richtungsabhängigen Rillen und der hydrophilen, rutschigen Oberfläche erwies sich als wirksamer beim Auffangen und Richten von Wassertröpfchen als vergleichbare Oberflächen.

Hydrophile oder wasseranziehende Oberflächen wie die SRS können für eine Anzahl von Zwecken und Industrien verwendet werden, wie zum Beispiel Klimaanlagen, Tropfenkondensation zur Stromerzeugung und -entsalzung und Wassergewinnung in Trockengebieten.

„Bestehende Verfahren zur Erzeugung von Frischwasser, wie beispielsweise die Entsalzung, setzen den Übergang von Dampf zu Wasser voraus“, heißt es in einer Erklärung von Dai.

„Wir wollten eine Oberfläche schaffen, mit der Wassertropfen effizient aufgefangen und geleitet werden können.“

Rice University, Ablagerung von Giftstoffen aus Wasser

Rice University Forscher haben an einem Behandlungssystem gearbeitet, das kann ziehen Sie selektiv schädliche Giftstoffe von Trinkwasser und Abwasser aus Fabriken, Abwassersystemen und Öl- und Gasquellen.

Das System verwendet einen Satz von zusammengesetzten Elektroden, die eine kapazitive Deionisierung ermöglichen, eine Technologie zur Entionisierung von Wasser durch Anlegen einer elektrischen Potentialdifferenz über zwei Elektroden, die oft aus porösem Kohlenstoff bestehen.

Die porösen, geladenen Elektroden sind in der Lage, selektiv Zielionen aus Fluiden zu ziehen, die durch ein labyrinthartiges System strömen. Wenn sich die Poren mit Giftstoffen füllen, können die Elektroden gereinigt, wieder hergestellt und wiederverwendet werden.

Unter der Leitung von Qilin LiAls Professor für Zivil- und Umwelttechnik sowie für Materialwissenschaften und Nanoengineering wird erwartet, dass das Reisbehandlungssystem eine kostengünstige und energiesparende Alternative zu herkömmlichen Systemen darstellt.

"Traditionelle Methoden zur Entfernung von allem, wie die Umkehrosmose, sind teuer und energieintensiv", sagte Li in einer Erklärung.

"Wenn wir einen Weg finden, diese kleinen Komponenten einfach herauszufischen, können wir viel Energie sparen."

Bislang haben die Forscher das System auf die Entfernung von Sulfationen getestet, einem schuppenbildenden Mineral, das Wasser bitter schmecken lässt und als Abführmittel wirkt.

Zu diesem Zweck wurden die Elektroden des Systems mit Aktivkohle beschichtet, die wiederum mit einem dünnen Film aus winzigen Harzpartikeln überzogen war, die von quaternisiertem Polyvinylalkohol zusammengehalten wurden.

Wenn mit Sulfat verunreinigtes Wasser durch einen Kanal zwischen den geladenen Elektroden strömte, wurden Sulfationen von den Elektroden angezogen, durch die Harzbeschichtung geleitet und an den Kohlenstoff gebunden.

Tests im Labor zeigten, dass die positiv geladene Beschichtung Sulfat-Ionen gegenüber Salz in einem Verhältnis von mehr als 20 zu 1 einfangen konnte.

"Dies ist Teil eines breiten Forschungsbereichs, um Wege zur selektiven Entfernung ionischer Verunreinigungen zu finden", sagte Li in einer Erklärung. „Im Wasser sind viele Ionen. Nicht alles ist giftig. Zum Beispiel ist Natriumchlorid (Salz) vollkommen harmlos. Wir müssen es nicht entfernen, wenn die Konzentration nicht zu hoch wird. “

„Für viele Anwendungen können wir ungefährliche Ionen zurücklassen, aber es gibt bestimmte Ionen, die wir entfernen müssen. In einigen Trinkwasserbrunnen gibt es beispielsweise Arsen. In unseren Trinkwasserleitungen kann sich Blei oder Kupfer befinden. Und in industriellen Anwendungen gibt es Calcium- und Sulfationen, die Zunder bilden, eine Ansammlung von Mineralablagerungen, die Rohre verschmutzen und verstopfen. “

Die Forscher arbeiten derzeit an der Entwicklung von Beschichtungen für andere Schadstoffe und arbeiten mit Labors an der University of Texas in El Paso und der Arizona State University an groß angelegten Testsystemen.

Zusammenfassung

Die globale Wasserkrise betrifft alle - auch diejenigen, die die direkten Auswirkungen nicht spüren - und da die Erschöpfung weiter zunimmt, müssen wir alle unseren Beitrag zur Gewährleistung der Wassersicherheit und zur Eindämmung der durch Wasser verursachten Krankheiten leisten.

Glücklicherweise werden von Wissenschaftlern, Aktivisten und gemeinnützigen Organisationen Anstrengungen unternommen, um die Krise auf der ganzen Welt zu lindern.

Im heutigen Zeitalter der Vernetzung sind wir in der einzigartigen Position, zusammenzuarbeiten, um unsere wichtigsten Ressourcen zu schützen.

Jetzt mehr denn je, Menschen und Organisationen, wie Water.org, Tropfen auf den heißen Stein, Wasser für Menschen und Wasser ist Leben, sind in der Lage, auf globaler Ebene zu arbeiten, um wasserarmen Gemeinden zu helfen und einen bedeutenden Einfluss auf die sich verändernde Welt zu nehmen.