Ionenpumpe für sauberes Wasser

(openPR) 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.

Durchbruch in der Entsalzungstechnologie

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.

Spitzenforschung für eine Welt im Wandel

Das Ziel der Wissenschaft am Helmholtz-Zentrum Hereon ist der Erhalt einer lebenswerten Welt. Dafür erzeugen rund 1000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter Wissen und erforschen neue Technologien für mehr Resilienz und Nachhaltigkeit – zum Wohle von Klima, Küste und Mensch. Der Weg von der Idee zur Innovation führt über ein kontinuierliches Wechselspiel zwischen Experimentalstudien, Modellierungen und künstlicher Intelligenz bis hin zu Digitalen Zwillingen, die die vielfältigen Parameter von Klima und Küste oder der Biologie des Menschen im Rechner abbilden. Damit wird interdisziplinär der Bogen vom grundlegenden wissenschaftlichen Verständnis komplexer Systeme hin zu Szenarien und praxisnahen Anwendungen geschlagen. Als aktives Mitglied in nationalen und internationalen Forschungsnetzwerken und im Verbund der Helmholtz-Gemeinschaft unterstützt das Hereon mit dem Transfer der gewonnenen Expertise Politik, Wirtschaft und Gesellschaft bei der Gestaltung einer nachhaltigen Zukunft.

wissenschaftliche Ansprechpartner:
Prof. Francesca Toma
Institutsleiterin
Institut für Funktionale Materialien für Nachhaltigkeit
Tel.: +49 (0)3328 352490
Mail:

Originalpublikation:
https://doi.org/10.1038/s41563-026-02511-y