Warum wird Wasser nicht in Massenproduktion hergestellt, wenn wir seine Summenformel kennen?
Die Wasserkrise zwingt uns, an neuen Technologien für die Wiederverwendung der wertvollsten Ressource des Lebens zu arbeiten. Aber vielleicht haben Sie darüber nachgedacht, warum wir es nicht einfach in Labors von Grund auf neu erschaffen, wenn wir bereits wissen, dass H2O sein "Rezept" ist.
Wir wissen, dass es verschiedenephysikalische und chemische Methoden der Wassergewinnung, -entsalzung, -reinigung, -potenzierung und -verteilung gibt, um diese lebenswichtige Ressource wiederzuverwenden. Obwohl die Technologien in diesem Bereich mit immer effizienteren und besseren Methoden Fortschritte machen, reicht dies nicht aus und die Wasserkrise verschärft sich weiter.
Aus der Verbindung von zwei Wasserstoffatomen (H) und einem Sauerstoffatom (O) erhalten wir: H2O (Dihydrogenmonoxid), das ist die Summenformel von Wasser. Wir haben die Zutaten zur Verfügung, aber offensichtlich sind einige der Schritte dieses Rezepts" nicht einfach in einem Labor durchzuführen, und es gibt Gründe, es nicht im Massenmaßstab herzustellen.
Ist es möglich, Wasser herzustellen?
Ja, Wasser aus dem Nichts zu "machen" ist möglich, aber es gibt einen fundamentalen Grund (oder zwei), warum es nicht in großem Maßstab gemacht wird. Deshalb sucht die Wissenschaft ständig nach technologischen Alternativen, um den besten Weg zur Wiederverwendung von Wasser zu finden, denn wir sind nicht in der Lage, unerschöpfliche Quellen von "künstlichem neuem Wasser" in großem Maßstab zu schaffen, geschweige denn, sie an strategischen Punkten des Planeten zu installieren, um die Wasserkrise zu beenden. Wir sagen Ihnen, warum Wasser nicht von Grund auf neu hergestellt werden kann.
Wassererzeugung: Elektrolyse und Photolyse
Wasser im Labor kann durch zwei Hauptverfahren gewonnen werden: Elektrolyse und Photolyse.
Elektrolyse ist der Prozess, bei dem Wasser durch Anlegen von elektrischem Strom in seine Grundbestandteile Sauerstoff und Wasserstoff gespalten wird. An einer Elektrode wird Sauerstoff und an der anderen Wasserstoff freigesetzt. Diese beiden Gase können dann aufgefangen und rekombiniert werden, um wieder Wasser zu erzeugen. Dieses Verfahren wird in einigen industriellen Anwendungen eingesetzt, z. B. bei der Herstellung von Wasserstoff als Kraftstoff.
Bei der Photolyse hingegen wird das Wasser durch Lichteinwirkung in seine Grundbestandteile zerlegt. Dies wird durch den Einsatz eines Photokatalysators erreicht, d.h. eines Materials, das Licht absorbiert und die chemische Reaktion katalysiert. Sauerstoff und Wasserstoff können dann auf die gleiche Weise wie bei der Elektrolyse gesammelt werden.
Bei beiden Methoden der Erzeugung wird eine enorme Menge an Energie benötigt, was den Prozess ineffizient und extrem gefährlich macht. Diese Verfahren sind jedoch für einige industrielle Anwendungen unverzichtbar und können wichtige Auswirkungen auf die Erforschung grüner Technologien und die Herstellung sauberer Kraftstoffe haben.
Fortschritte bei der Wassergewinnung
Wissenschaftler arbeiten seit Jahren daran, verschiedene Wege zur Erzeugung von Wasser zu finden. Eine führende Gruppe des Fachbereichs Chemie an der University of Illinois, USA, veröffentlichte 2007, entdeckte einen neuen Weg zur Herstellung von Wasser unter Vermeidung einer großen Explosion. Dieses Verfahren ist jedoch noch sehr kostspielig und ineffizient, aber es kann für einen anderen wichtigen Zweck genutzt werden.
"Die Reaktion (2H2 + O2 = 2H2O + Energie) ist schon seit Jahrhunderten bekannt, aber bis jetzt hat sie noch niemand in homogener Lösung durchgeführt", sagt Thomas Rauchfuss, Chemieprofessor an der Universität und Hauptautor der Arbeit.
Die bekannte Reaktion beschreibt auch, was im Inneren einer Wasserstoff-Brennstoffzelle geschieht. In einer typischen Brennstoffzelle strömt zweiatomiges Wasserstoffgas (H2) von der einen Seite der Zelle und zweiatomiges Sauerstoffgas (O2) von der anderen Seite ein.
Wasserstoffmoleküle verlieren ihre Elektronen und werden durch einen Prozess namens Oxidation positiv geladen, während Sauerstoffmoleküle vier Elektronen gewinnen und durch einen Prozess namens Reduktion negativ geladen werden. Die negativ geladenen Sauerstoff-Ionen verbinden sich mit positiv geladenen Wasserstoff-Ionen zu Wasser und setzen dabei elektrische Energie frei.
Die "harte Seite" der Brennstoffzelle ist die Sauerstoffreduktionsreaktion, nicht die Wasserstoffoxidationsreaktion, so Rauchfuss. "Wir haben jedoch entdeckt, dass neue Katalysatoren für die Sauerstoffreduktion auch zu neuen chemischen Mitteln für die Wasserstoffoxidation führen könnten".
Rauchfuss und Heiden untersuchten kürzlich eine relativ neue Generation von Transferhydrierungskatalysatoren für den Einsatz als unkonventionelle Metallhydride zur Sauerstoffreduktion.
Die Forscher konzentrieren sich auf die oxidative Reaktivität von Transferhydrierungskatalysatoren auf Iridiumbasis in homogener nichtwässriger Lösung. Sie fanden heraus, dass der Iridiumkomplex sowohl die Oxidation von Alkoholen als auch die Reduktion von Sauerstoff beeinflusst.
"Die meisten Verbindungen reagieren mit Wasserstoff oder Sauerstoff, aber dieser Katalysator reagiert mit beidem", sagte Heiden. "Er reagiert mit Wasserstoff, um ein Hydrid zu bilden, und reagiert dann mit Sauerstoff, um Wasser zu bilden; und er tut dies in einer homogenen, nicht-wässrigen Kartusche". Die neuen Katalysatoren könnten letztlich zur Entwicklung effizienterer Wasserstoff-Brennstoffzellen führen und deren Kosten erheblich senken, sagte Heiden.
Die Lösung lautet: Verschmutzen Sie das Wasser nicht
Das Hauptproblem der Wasserkrise besteht darin, zu verstehen, dass Wasser nicht knapp wird, die Wassermenge, die wir auf der Erde haben, ist immer dieselbe gewesen. Was passiert, ist, dass wir es verschmutzen, und in einigen Teilen ist es nicht mehr ohne weiteres verfügbar. Das ist eine der Folgen des Raubbaus an den Ökosystemen (z. B. Wälder und Feuchtgebiete), die Teil des Wasserkreislaufs sind und diese lebenswichtige Ressource filtern und auch speichern, damit sie sauber und in ausreichender Menge vorhanden ist.
Deshalb müssen wir die Wasserverschmutzung stoppen, müssen wir die Vegetation vermehren und die bestehenden Ökosysteme schützen.
Darüber hinaus ist es sehr wichtig, etwas über Wassermanagement und bewussten Wasserverbrauch zu lernen. Um es in Zahlen auszudrücken, die Produktion von 1 Kilogramm Rindfleisch kann zwischen 500 und 20 Tausend Liter Wasser verbrauchen, je nach Land und Ort, wo das Fleisch herkommt. Nach Angaben der Vereinten Nationen ist die Textilindustrie für 20 % der weltweiten Wasserverschmutzung verantwortlich. So werden für die Herstellung einer Jeans zwischen 2 und 3 000 Liter Wasser benötigt, wie eine Studie der Polytechnischen Universität Madrid ergab.