Solarhydrogel: der „Wasserkreislaufmeister“ des Gewächshausanbaus

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Shi Chang (PhD in Physikalischer Chemie)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Entwicklungen in Spitzenwissenschaft und -technologie zu verstehen, hat das Spitzenwissenschafts- und -technologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie mit dem Titel „Hilfe beim Verstehen führender wissenschaftlicher Zeitschriften“ veröffentlicht, in der herausragende Artikel aus maßgeblichen Zeitschriften ausgewählt und so schnell wie möglich in einfacher Sprache interpretiert werden. Erweitern wir unseren wissenschaftlichen Horizont und genießen wir den Spaß an der Wissenschaft durch das Fenster der Top-Zeitschriften.

Dank der rasanten Entwicklung von Wissenschaft und Technologie scheinen Obst und Gemüse heute nicht mehr an die Jahreszeiten gebunden zu sein. Wassermelonen sind nicht länger nur im Sommer zu finden und Kohl steht nicht mehr an der Spitze der Wintergemüseliste. Wenn frisches Gemüse und Obst auf unseren Tisch kommt, merken wir, dass sich hinter diesem „leckeren Essen“ ein „ökologisches Königreich“ verbirgt – das Gewächshaus.

Gewächshausanbau

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Gewächshäuser sind eine wichtige Errungenschaft der Agrartechnologie. Sie überwinden nicht nur die Beschränkungen durch Jahreszeiten und Regionen und sorgen so für eine stabilere und vielfältigere Nahrungsmittelversorgung, sondern bereichern auch unsere Esskultur erheblich. Mit der zunehmenden Zahl von Gewächshäusern ist jedoch auch ein nicht zu ignorierendes Problem entstanden: die Verschwendung von Wasserressourcen.

Laut Statistik macht das Wasser aus der Gewächshauslandwirtschaft mehr als 50 % des menschlichen Wasserverbrauchs aus. Während das Bewässerungswasser in Gewächshäusern den Bedarf der Pflanzenwurzeln deckt, geht es auch unbemerkt durch Bodenverdunstung und Pflanzentranspiration verloren, was zu einer enormen Verschwendung der wertvollen Wasserressourcen der Erde führt. Darüber hinaus ist es ein schwieriges Problem auf dem Weg zu einer nachhaltigen landwirtschaftlichen Entwicklung.

Hydrogel: Ein magisches wasserabsorbierendes Material

Im wirklichen Leben spielen Kinder oft mit einem Spielzeug namens „Wasserbaby“, das Wasser aufsaugt und größer wird. Dies ist ein Spielzeug mit kleinen Partikeln und einer Kugelform. Wenn Sie das „Wasserbaby“ eine Zeit lang in Wasser einweichen, dehnt es sich aus, als ob es „wachsen“ würde. Die bunten, federnden kleinen Bälle verleiten dazu, sie am liebsten klauen zu wollen. Aber wissen Sie, woher diese federnden Wasserbälle kommen?

Bunte „Wasserbabys“

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Dieses wasserabsorbierende Material wird Hydrogel genannt, ein Polymermaterial mit einer speziellen dreidimensionalen Netzwerkstruktur, das in Wasser schnell aufquellen und eine große Menge Wasser speichern kann, ohne sich aufzulösen.

Hydrogele können je nach Materialquelle in natürliche und synthetische Hydrogele unterteilt werden.

Natürliches Polymerhydrogel: wird hauptsächlich aus natürlichen Polymermaterialien wie Gelatine, Chitosan, Natriumalginat, Kollagen, Hyaluronsäure usw. hergestellt. Die meisten dieser Materialien werden aus tierischen Geweben oder Meeresorganismen gewonnen und sind daher biokompatibel und abbaubar.

Synthetisches Polymerhydrogel: Ein Polymer, das durch Polymerisationsreaktionen synthetischer Materialien wie Polyacrylamid, Polyethylenglykol, Polyacrylsäure, Polyvinylalkohol usw. gewonnen wird. Diese Art von Hydrogel zeichnet sich durch gute strukturelle Steuerbarkeit, gute Wiederholbarkeit und hervorragende mechanische Eigenschaften aus.

Können Hydrogele mit wasserabsorbierenden Eigenschaften für das Wassermanagement in Gewächshäusern eingesetzt werden?

Am 10. Juli 2024 veröffentlichten chinesische Wissenschaftler in der Zeitschrift Nature Water einen Artikel über solarbetriebene hygroskopische Hydrogele, die eine schnelle Aufnahme und Abgabe von Wasser ermöglichen. Bei Verwendung im Gewächshausanbau kann eine passive Rückgewinnung der Pflanzentranspiration und des Bodenverdunstungswassers erreicht werden, wodurch Energie- und Wassereinsparungen erzielt werden.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Water veröffentlicht

(Bildquelle: Nature Water Magazin)

Die Forscher verwendeten Titannitrid (TiN), Curdlan (CUR), Natriumpolyacrylat (PAAS) und Lithiumchlorid (LiCl) als Rohstoffe und stellten durch ein „Vernetzungs-Gefriertrocknungsverfahren“ ein poröses Hydrogelmaterial (TCP-Li) her. Bei der Vernetzungsreaktion handelt es sich um eine wichtige chemische Reaktion, bei der sich zwei oder mehr Moleküle miteinander verbinden und vernetzen, um eine Netzwerkstruktur zu bilden. Durch diese Reaktion können die Festigkeit, Hitzebeständigkeit, Verschleißfestigkeit, Lösungsmittelbeständigkeit und andere Eigenschaften des Materials deutlich verbessert werden. Titannitrid ist ein photothermisches Umwandlungsmaterial, das absorbierte Lichtenergie in Wärmeenergie umwandeln kann.

Curdlan kann beim Erhitzen in einer wässrigen Lösung einen Gelzustand annehmen. Natriumpolyacrylat ist ein hochabsorbierendes Polymer, das bei der Aufnahme und Speicherung von Wasser in Hydrogelmaterialien eine Rolle spielt. Lithiumchlorid kann dem Material die Fähigkeit verleihen, Wasserdampf zu absorbieren, wodurch die Wasseraufnahmekapazität des Materials erheblich verbessert wird.

Herstellungsprozess des Hydrogels; v. Chr. SEM-Bilder des Hydrogels; D. Elementverteilung des Hydrogels; e. Röntgenbeugungsmuster des Materials; F. Infrarotspektrum des Materials; G. UV-sichtbares-nahes Infrarot-Absorptionsspektrum des Hydrogels.

(Bildquelle: Referenz 1)

Die Forscher führten Wasseradsorptions- und -desorptionsexperimente mit dem hergestellten TCP-Li-Hydrogelmaterial durch, um dessen Fähigkeit zur Wasseraufnahme und -abgabe zu überprüfen. Versuchsergebnisse zeigen, dass das Hydrogelmaterial eine starke Wasseraufnahmekapazität besitzt. Bei einer Temperatur von 30 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 60 % und 90 % beträgt die Wasseraufnahme pro Gramm Hydrogelmaterial 2,8 bzw. 3,38 Gramm.

Damit Hydrogelmaterialien eine Wasserzirkulation erreichen, genügt es nicht, eine hohe Hygroskopizität aufzuweisen, sie müssen auch die Fähigkeit besitzen, Wasser schnell freizusetzen. Die Forscher testeten die Fähigkeit des Hydrogelmaterials, Wasser in einer Umgebung freizusetzen, die Sonnenlicht simulierte.

Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass das TCP-Li-Hydrogelmaterial unter simulierten Sonnenlichtbedingungen schnell Wasser freisetzen kann. Selbst bei 60 % der Sonnenintensität kann es innerhalb von 60 Minuten 95 % des Wassers freisetzen. Gleichzeitig zeichnet sich das Material durch eine lange Lebensdauer aus. Nach Abschluss von 15 Experimenten zur Absorption und Freisetzung von Wassermolekülen beträgt der Dämpfungswert der Feuchtigkeitsabsorptionskapazität weniger als 3 %.

Schematische Darstellung des Aufbaus der Wasserrückgewinnungseinrichtung TEAD; B. Wärmeübertragung während des TEDA-Adsorptions-Desorptionsprozesses,

Stoffübergangsanalyse; C. TEDA-Gerätediagramm; D. Infrarot-Temperaturdiagramm von TEAD während der Desorption.

(Bildquelle: Referenz 1)

Nachdem die Forscher die Leistung des TCP-Li-Hydrogels getestet hatten, verwendeten sie das Material auch zur Herstellung eines Wasserrückgewinnungsgeräts (TEAD), das nachts durch die Transpiration von Nutzpflanzen und die Verdunstung des Bodens entstehenden Wasserdampf sammeln und tagsüber unter Einwirkung des Sonnenlichts Wasser zur Bewässerung der Nutzpflanzen freisetzen kann. Versuchsergebnisse zeigen, dass das TEAD-Wasserrückgewinnungsgerät täglich 87,1 Gramm Wasser von jeder Pflanze sammeln und 1890,6 Gramm Wasser pro Quadratmeter recyceln kann, wodurch ein Wasserspareffekt von 44,9 % erreicht und die Verschwendung von Bewässerungswasser erheblich reduziert wird.

Andere Verwendungen von Hydrogelen

Im Bereich der Hautpflege kann aus Hydrogel eine Gesichtsmaske hergestellt werden, die eng an der Haut anliegt, Feuchtigkeit effektiv einschließt und freisetzt, die Haut langanhaltend tiefenwirksam mit Nährstoffen versorgt und ihr hilft, ihre Feuchtigkeit und Ausstrahlung wiederherzustellen.

Auch im Bereich Umweltschutz werden Hydrogele zur Entwicklung verschiedener effizienter Materialien zur Wasseraufbereitung eingesetzt. Sie können Schadstoffe wie Schwermetallionen, organische Schadstoffe usw. im Wasser adsorbieren und entfernen, die Wasserqualität wirksam verbessern und die Sicherheit des Trinkwassers der Menschen gewährleisten.

Wasseraufbereitung

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Im Bereich der intelligenten Materialien werden Hydrogele aufgrund ihrer einzigartigen Fähigkeit, auf Wasser zu reagieren, häufig verwendet. Beispielsweise können reizempfindliche Hydrogele sich je nach Veränderungen der äußeren Umgebung (wie Temperatur, Feuchtigkeit usw.) verformen oder elektrische Signale erzeugen und so neue Funktionen und Interaktionsmodi für intelligente tragbare Geräte bieten.

Abschluss

Die Entstehung des solarbetriebenen Hydrogels stellt nicht nur einen großen Durchbruch im Bereich der traditionellen Gewächshäuser dar, sondern auch eine praktische Umsetzung des Konzepts einer nachhaltigen landwirtschaftlichen Entwicklung. Es zeigt uns, dass die Menschheit mit Hilfe von Wissenschaft und Technologie in der Lage ist, das Problem der Verknappung natürlicher Ressourcen zu überwinden und ein grüneres, umweltfreundlicheres und effizienteres Produktionsmodell zu schaffen. Wir freuen uns auf die Anwendung dieses Hightech-Materials in der landwirtschaftlichen Produktion, das wertvolle Beiträge zur Wassereinsparung und zur Hightech-Entwicklung der Landwirtschaft leisten wird.

Quellen:

1. Zou, H., Yang, X., Zhu, J. et al. Solarbetriebenes, skalierbares hygroskopisches Gel zum Recycling von Wasser aus passiver Pflanzentranspiration und Bodenverdunstung[J]. Nat Water, 2024.

2.Achour, Y. et al. Technologische Fortschritte im modernen nachhaltigen Gewächshausanbau als Weg zur Präzisionslandwirtschaft[J]. Erneuern. Sust. Energie. Rev. 12021.

3. Cui Guiguan, Xu Liqin. Diskussion über Gewächshausbewässerungstechnologie[J]. Wassersparende Bewässerung, 2007.

4. Zhai Maolin, Ha Hongfei. Synthese, Eigenschaften und Anwendungen von Hydrogelen[J]. Universitätschemie, 2001.