Nehmen große Mengen an Flüssigkeit auf: Superabsorber werden vor allem in Babywindeln eingesetzt.

Was geht?

Manfred Wilhelm vom Karlsruher Institut für Technologie hat ein Ziel: dorthin zu gehen, wo zuvor noch niemand war. Aktuell holt der Wissenschaftler den Superabsorber aus der Windel, macht damit untrinkbares Wasser trinkbar und verändert so die Welt – vielleicht.

Wenn Manfred Wilhelm seine Ruhe braucht, geht er in den Keller. Mit drei Töchtern im Teenageralter und einem Lehrstuhl an einer international renommierten Universität sind ungestörte Stunden zum Arbeiten selten. Dort unten in seinem Haus in einem Ort nahe Karlsruhe schreibt er Gutachten, redigiert wissenschaftliche Artikel und denkt über sein Fachgebiet nach: die Polymerchemie. Wilhelms beste Ideen für Forschungsthemen finden dann den Weg auf eine weiße Tafel hinter seinem Schreibtisch am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Dort forscht und lehrt der 51-Jährige seit elf Jahren zu polymeren Materialien. Der Laie würde sagen: zu Kunststoffen - und läge damit nicht ganz falsch.

»Wissenschaft ist die vorhersehende Kraft. Ich will etwas machen, was vorher noch nicht gemacht worden ist.«

Manfred Wilhelm

forscht und lehrt am Institut für Technische Chemie und Polymerchemie am Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

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.

Eine Frage der Energie

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.

»Grundsätzlich ist das Problem der Meerwasserentsalzung gelöst. Wir wollen aber beweisen, dass es noch einen anderen Weg gibt.«

Lukas Arens,

Doktorand am KIT, arbeitet daran, Systeme für die Messbarkeit der Entsalzung mithilfe von Superabsorbern zu entwickeln.

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.

Blick durch die Hoberman-Kugel: Manfred Wilhelm mit dem vom amerikanischen Designer Chuck Hoberman entwickelten Modell

Beweisen, was möglich ist

Zwei Räume weiter macht sich Ilona Wagner ein weiteres selektives Verhalten von Superabsorbern zunutze: „Je nach Vernetzungsgrad nehmen Superabsorber auch mit Metallen belastetes Wasser unterschiedlich schnell auf“, erklärt die Bachelorstudentin. Stoffe wie Arsen, Cadmium, Blei und Chrom hat sie ins Auge gefasst. Diese für den Menschen hochgradig giftigen Metalle finden sich in ungeklärten Industrieabwässern und damit gerade in Schwellen- und Entwicklungsländern leider auch im Trinkwasser für Millionen von Menschen. „Es gibt zwar Verfahren, diese Schadstoffe aus dem Wasser zu holen“, sagt Wagner. „Aber die sind technisch aufwendig und sehr teuer.“ Insbesondere krebserregende Chromsalze, die in Gerbereien etwa in Indien und Bangladesch zum Einsatz kommen, lassen sich – Wagners ersten Versuchen zufolge – mittels Superabsorbern bald bis zu 99 Prozent aus dem Wasser holen. Der Effekt ist beim farbigen Chromsalz auch für den Laien gut erkennbar. In Wagners Bechergläsern flockt der Superabsorber mit der Zeit immer weiter aus, die grünliche Farbe des Chroms verschwindet aus dem überstehenden Wasser. Eine Idee: Selbst Kleinstbetriebe könnten Fließe mit Superabsorbern – nichts anderes als übergroße Windeln – in ihre Gerberbrühe legen, damit das Chrom entziehen und es getrennt entsorgen. Von Wagners Bachelorarbeit zu dem Thema bis zur Umsetzung ist es jedoch ein weiter Weg.

Fast noch weiter erscheint der Weg beim sogenannten Osmosemotor - einer wilhelmschen Idee, bei der osmotischer Druck im aufquellenden Superabsorber genutzt wird, um Energie umzuwandeln. Auch hier ist das Prinzip belegt. Im KIT-Labor bewegen sich Apparaturen und Gewichte stetig auf und ab, nur angetrieben vom unterschiedlichen Salzgehalt im Wasser. Christoph Pfeifer befindet sich mit seiner Doktorarbeit zu diesem Thema in den letzten Zügen. Es sieht gut aus. „Jetzt gilt es, die Energieausbeute mit dem richtigen Vernetzungsgrad im Superabsorber zu optimieren“, sagt er.
1 Mio.

Liter pro Sekunde

betrug zuletzt (2015) die weltweite Entsalzungskapazität zur Trinkwassergewinnung. Insgesamt wird rund ein Prozent des weltweiten Trinkwassers mittels Entsalzung gewonnen. Tendenz: stark steigend.

2

technologische Verfahren

kommen bei der Entsalzung im Wesentlichen derzeit zum Einsatz: Destillation und Membranen. Nur im Nahen Osten, wo knapp die Hälfte der Trinkwasserentsalzung weltweit stattfindet, dominiert die energieintensive Destillation. Billigem Erdöl sei Dank.
3 kWh

pro 1.000 Liter

sind heute ein sehr guter Wert für den Energieaufwand zur Entsalzung mittels Umkehrosmose. Destillation braucht etwa das Dreifache. Manfred Wilhelm glaubt, beides unterbieten zu können.

Ob die Superabsorber-Ideen von Wilhelms weißer Tafel jemals etablierte Verfahren ersetzen können? Der Forscher selbst ist skeptisch. Zwar hat er schon rund ein Dutzend seiner Ideen kommerzialisiert; sein Institut ist spezialisiert auf die Entwicklung neuer Messmethoden und den Bau neuartiger Messgeräte, mit denen Kunststoffhersteller ihre Polymere besser verstehen lernen. Aber er weiß auch: „Die Industrie ist im Grunde innovationsresistent.“ Und das sei gar nicht schlecht. „Dieser Widerstand gegen gänzlich neue Technologien bringt aber auch den Druck, bestehende Technologien weiter zu verbessern.“ Daran hat die Forschung am KIT ebenfalls einen großen Anteil. Wilhelms Absolventen gehen in die Industrie, erfinden bei Nike neue Turnschuhsohlen oder stecken dahinter, wenn Kunststoffen immer neue Tricks beigebracht werden. „Wenn meine Geräte eingesetzt werden und meine Absolventen gute Jobs bekommen, ist das für mich Erfolg genug“, sagt Wilhelm. Als erster studierter Sohn einer Winzerfamilie weiß er, wie weit man es mit Bildung, Grips und guten Ideen bringen kann. Und kennt doch auch die Grenzen seiner Zunft: „Unser Ziel als Forscher ist es nicht, Menschen lebend auf den Mond zu bringen“, sagt Wilhelm. „Das machen Ingenieure besser. Wir wollen aber die Ersten sein, die diese neuen Ideen haben.“

Tom Rademacher

staunt, seit er selbst Kinder hat, regelmäßig über die Saugkraft heutiger Windeln. Der Journalist lebt, arbeitet und wickelt in Köln.