Was geht?

Studenten, die ein Thema für ihre Bachelor-, Master- oder Doktorarbeit suchen, werden nicht selten auf Wilhelms Tafel fündig. Drei solcher Arbeiten widmen sich gerade dem Thema Wasser. Je nachdem, was dabei rauskommt, haben sie vielleicht das Zeug dazu, die Welt zu verändern. Und das mit einem Kunststoff, der bislang vor allem buchstäblich vollgepinkelt wird.

Superabsorber sind Kunststoffe, die immense Mengen an Flüssigkeit aufsaugen können. Die Industrie hat das weiße Granulat für sich entdeckt, um in erster Linie Babywindeln damit herzustellen. 1987 wurden die ersten Pampers damit ausgestattet. Seither kommt kaum eine moderne Windel mehr ohne aus, weil Superabsorber nicht nur locker das 500-Fache ihres eigenen Volumens an Wasser aufnehmen, sondern es auch noch sicher festhalten. Trockenere Babypopos, glücklichere Kinder, kauffreudigere Eltern – so der Dreiklang des Geschäfts.

„Der Geistesblitz kam mir tatsächlich beim Wickeln“, sagt Wilhelm. Während eines Familienurlaubs an der Ostsee hatte er beobachtet, wie sich die Windel seiner kleinen Tochter auch in Salzwasser blitzschnell vollsaugte, nachdem sie ihm ins Wasser entwischt war. Wenige Monate zuvor erst hatte er sich für seine Antrittsvorlesung in die Literatur zum Thema Polyelektrolyte vertieft. Und noch ein paar Jahre früher hatte Wilhelm am renommierten Weizmann Institute in Israel gearbeitet, teilweise pendelnd zwischen dem Max-Planck-Institut in Mainz und der Forschungseinrichtung in Rehovot, südlich von Tel Aviv. „Aus dieser Zeit hatte ich noch das große Problem der Süßwassergewinnung in Erinnerung“, sagt Wilhelm. „In der Jerusalem Post las man da jeden Tag etwas zum aktuellen Wasserstand im See Genezareth.“ All das sei dann eines Tages am Wickeltisch zusammengekommen: Könnte man nicht mit Superabsorbern auch Meerwasser entsalzen? Um es kurz zu machen: Man kann. Den Beweis tritt Wilhelms Student Lukas Arens derzeit in seiner Doktorarbeit an. Aber es ist nicht ganz einfach.

Dazu muss man zunächst wissen, wie Superabsorber Wasser aufnehmen. Arens’ Doktorvater erklärt das gern plastisch: Dazu lässt er Besucher einen Teelöffel des weißen körnigen Superabsorberpulvers in einen Becher voll Wasser rühren. Im Nu wird daraus ein zähes Gel, das sich auch durch Umkippen oder Schütteln nicht mehr aus dem Glas befördern lässt. Das Geheimnis liegt in der Molekülstruktur: „Es handelt sich um ein Polymer, also eine lange Molekülkette der Acrylsäure, die zu einem dreidimensionalen Gebilde vernetzt ist – einer Art molekularem Schwamm“, erklärt Wilhelm. Dann springt er auf und greift nach einer bunten Plastikkugel in seinem Regal, die auch aus einem Spielzeugladen stammen könnte. Die sogenannte Hoberman-Kugel lässt sich dank cleverer Scharniere in jede Richtung auf ein Vielfaches ihrer Größe auseinanderziehen. „Das Polymer des Superabsorbers kann das noch deutlich besser und wächst bei Kontakt mit Wasser um den Faktor 1.000“, sagt Wilhelm. „Es packt die Wassermoleküle ins Innere dieses Netzes und hält sie dort mittels ionischer Wechselwirkungen fest.“ Je enger die Maschen dieses Netzes gestrickt sind – der Chemiker spricht tatsächlich vom Vernetzungsgrad –, desto fester hält der Superabsorber das Wasser. Desto weniger quillt er aber auch auf.

Doktorand Lukas Arens macht sich in seiner Arbeit nun zunutze, dass Süßwasser schnell und bereitwillig in den Superabsorber wandert, Salz und Salzwasser jedoch nur langsam. „Und umgekehrt“, wie Arens erklärt. Heißt: Aus einem mit Salzwasser vollgesogenen Superabsorber presst Arens als Erstes Salzwasser heraus, das Frischwasser kommt als Allerletztes raus. „Mit dem nötigen Druck können wir so Frischwasser von Salzwasser trennen“, lautet die Arens-These. Wie effektiv und effizient das ist, wie viel Energie dazu nötig ist und wie stark der Superabsorber dafür vernetzt sein sollte, testet er im Karlsruher Labor in langen Versuchsreihen mit einer speziell dafür angefertigten Presse.

Denn am Ende ist alles eine Frage der Energie. „Die theoretische Mindestmenge an Energie, um Meerwasser zu entsalzen, liegt bei einer Kilowattstunde pro Kubikmeter gewonnenem Süßwasser“, sagt Wilhelm. „Derzeitige Anlagen brauchen etwa das Zehnfache. Da sind wir jetzt auch schon in derselben Größenordnung.“ Wilhelm hat die großen Meerwasserentsalzungsanlagen in Saudi-Arabien oder den Vereinigten Arabischen Emiraten im Sinn: Dort laufen gigantische Kraftwerke, um täglich Hunderte Millionen Liter Trinkwasser aus dem Meer zu gewinnen. Das geschieht teilweise durch das Verdampfen des Wassers und teilweise mit der sogenannten Umkehrosmose, bei der das Wasser durch spezielle Membranen gepresst wird. „Allein dass wir im Superabsorber praktisch eine dreidimensionale Membran nutzen, gibt diesem Verfahren Vorteile“, sagt Wilhelm.