Ein Forschungsteam aus der Anorganischen Chemie der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) entwickelt gezielt poröse Materialien, die Wasser aus der Luft gewinnen und energieeffiziente Kühlung ermöglichen sollen. Nun ist es erstmals gelungen, diese Materialien im größeren Maßstab herzustellen – ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur industriellen Nutzung.

Gemeinsam mit Partnern aus Chemie und Materialwissenschaften arbeitet das Team daran, neue Wasserquellen für den Mittelmeerraum zu erschließen.

„Regionen wie diese kämpfen mit steigenden Temperaturen und sinkenden Niederschlagsmengen. Wir wollen eine umweltfreundliche Technologie entwickeln, um Wassermoleküle aus der Luft in Trinkwasser umzuwandeln“, sagt Professor Norbert Stock vom Institut für Anorganische Chemie. „Zwei neue Studien, die wir kürzlich in ‚Journal of Materials Chemistry A‘ und Industrial & Engineering Chemistry Research‘ veröffentlicht haben, zeigen wie man große Mengen des Materials hergestellt hat und die Effizienz von Kühlanlagen verbessert werden kann.“

Außerdem stellt das Team einen neuen Ansatz vor, mit dem die Forschenden Wasser aus der Luft effizienter und schneller zugänglich machen können als mit bisherigen Materialsystemen.

Poröse Struktur speichert und gibt Wasser schnell wieder frei

Metall-organische Gerüstverbindungen (Metal-Organic Frameworks, MOFs) können ähnlich wie ein Schwamm innerhalb kurzer Zeit große Mengen Wasser aufnehmen und wieder abgeben. Grundlage dafür ist ihre hochporöse Struktur mit zahlreichen fein vernetzten Hohlräumen. Die Grundlagenforschung zu diesen Materialien wurde im Jahr 2025 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.

Das Kieler Team optimiert die Synthese des MOFs „CAU-10-H“ gezielt für die Wasseraufnahme und Wärmetransformation. Der Name setzt sich aus dem Entwicklungsort an der Kieler Universität, der Materialnummer und dem Elementsymbol von Wasserstoff zusammen. Das Material bindet Wassermoleküle bereits bei Raumtemperatur ab einer relativen Luftfeuchtigkeit von über 18 Prozent und gibt sie bei etwa 70 °C wieder frei.

Durch die Kombination mit leitfähigen Kohlenstoffstrukturen lässt sich dieser Vorgang zusätzlich beschleunigen. Das entstehende Kompositmaterial kann gezielt durch Strom oder Sonnenlicht erwärmt werden und setzt das gespeicherte Wasser besonders schnell wieder frei. Dadurch sind kurze, wiederholbare Arbeitszyklen möglich. Unter trockenen Bedingungen nimmt das Material bis zu 0,17 Gramm Wasser pro Gramm Material auf. So lassen sich potenziell bis zu 1,8 Liter Trinkwasser pro Tag und Kilogramm Kompositmaterial aus der Luft gewinnen.

„Dies macht seinen Einsatz für die Trinkwassergewinnung auch in trockenen Regionen interessant“, sagt Erstautor Lasse Wegner.

Höhere Kühlleistung bei geringerem Energieverbrauch

Neben der Wassergewinnung eignet sich CAU-10-H auch für Adsorptionskälteanlagen. Dort erreicht das Material laut Forschungsteam eine bis zu dreifach höhere Kühlleistung als das verbreitete Trockenmittel Silicagel auf Basis von Siliciumdioxid.

Solche Anlagen könnten künftig Abwärme beispielsweise aus Rechenzentren oder Bäckereien nutzen. Dadurch ließe sich der Energieverbrauch gegenüber herkömmlichen Klimaanlagen deutlich reduzieren und die Kühlung nachhaltiger gestalten.

Größere Produktionsmengen bringen Praxiseinsatz näher

„Wir haben CAU-10-H bereits vor rund 15 Jahren entdeckt, seine Anwendung wurde seitdem weltweit erforscht“, sagt Stock, der seit mehr als zwei Jahrzehnten auf dem Gebiet der MOFs forscht.

Mit Unterstützung des Validierungsfonds der CAU Kiel gelang nun die Übertragung der Herstellung in den Technikumsmaßstab – den Zwischenschritt zwischen Labor und industrieller Produktion. Unter der Leitung von Kalle Mertin produzierte das Team rund 30 Kilogramm des Materials und damit etwa 60-mal mehr als bisher im Labor. Gleichzeitig wurden die Herstellungsprozesse weiter optimiert. Eine techno-ökonomische Analyse zeigt, dass sich die Produktionskosten auf etwa 12 bis 14 US-Dollar pro Kilogramm senken lassen.

„Damit rückt der Einsatz unserer Materialien in realen Anwendungen in greifbare Nähe“, sagt Stock. „Wir zeigen, dass sie nicht nur im Labor funktionieren, sondern auch wirtschaftlich skalierbar sind.“