Ein kleines Labor im Paul Scherrer Institut PSI in Villigen: Markus Roth und Samuel Solin geben eine Probe von Fäkalien in einen Trichter. Ihr Ziel: Die menschlichen Exkremente sollen in einem Reaktor in unschädliches Wasser, Gas und Salze umgewandelt werden. Die beiden Forscher sind Teil eines Teams der Fachhochschule Nordwestschweiz FHNW, das an der sogenannten Blue Diversion Autarky Toilet arbeitet.

Die Toilette neu erfinden

Blue Diversion Autarky ist ein Projekt der Eawag, des Wasserforschungsinstituts des ETH-Bereichs. Finanziert wird es von der Bill & Melinda Gates Foundation, die vor sieben Jahren die «Reinvent the Toilet Challenge» ausschrieb. Das Ziel des Wettbewerbs: Menschen mit sanitären Einrichtungen zu versorgen, die keinen Zugang zu einem Abwassernetz haben. Eines der unterstützten Projekte ist die Blue Diversion Autarky Toilet unter der Leitung der Eawag. Am Projekt arbeiten internationale Forschende aus verschiedenen Institutionen. Ein Team des Instituts für Biomasse und Ressourceneffizienz FHNW ist unter der Führung von Prof. Dr. Frédéric Vogel für die Fäkalienbehandlung zuständig.

Hydrothermale Oxidation

Im Gegensatz zur Urinbehandlung, die mittels Gravitation, Filter und einfacher Chemie funktioniert, kommt bei der Verarbeitung von Fäkalien mehr Technik zum Einsatz. Die Herausforderung besteht darin, die Exkremente so schnell wie möglich zu neutralisieren, um die Verbreitung von Krankheitserregern und Geruchsemissionen zu verhindern. «Die Trocknung wäre zu langsam, verursacht Geruchsemissionen und braucht einen zu grossen Energieeinsatz», erklärt Markus Roth. Das Forschungsteam wendet darum das Prinzip der hydrothermalen Oxidation – einer Art «nasser Verbrennung» – an: Dabei werden die Fäkalien unter Beigabe von Luft bei hohem Druck auf eine Temperatur von über 374°C – dem kritischen Punkt von Wasser – gebracht. Resultat: Das Material zersetzt sich in seine ungefährlichen Komponenten Wasser, Mineralien und Gas. «Noch muss die Nutzung der einzelnen Komponenten geklärt werden», sagt Markus Roth, «wünschenswert wäre es aber, die resultierenden Mineralien als Dünger wiederverwerten zu können».

Experimente mit dem echten Material

Die Forschenden experimentieren mit dem Druck, der Temperatur und dem richtigen Sauerstoffverhältnis für eine optimale Oxidation. «Dabei benutzen wir echte menschliche Exkremente», sagt Markus Roth und zeigt auf einen weissen Behälter. Das «Material» wird in einer speziellen Toilette in der Eawag gesammelt und gefroren. Dass ihr Prinzip funktioniert, kann das Team am Funktionsmodell im PSI beweisen. Grundsätzlich muss aber der Energieaufwand – beispielsweise mit einer verbesserten Isolation des Reaktors – reduziert werden. Nur so können die Forschenden das vorgegebene Ziel eines energie-autarken Systems erreichen. Bis Ende 2019 soll ein funktionierendes Modell in einer realistischen Umgebung getestet werden. Auch in der Schweiz wäre der Einsatz solcher Autarky-Toiletten denkbar, zum Beispiel in Berghütten. In anderen Gegenden ohne Zugang zum Abwassernetz sieht das Geschäftsmodell vor, dass dereinst eine Autarky-Toilette von Privatpersonen geleast wird. Bis dahin beschäftigt sich das Team von Frédéric Vogel mit der Verarbeitung des grossen Geschäfts auf der Toilette.

Das Autarky-Team: Erich De Boni, Tobias Hübner, Thomas Lehmann, Fabienne Mangold, Till Roth, Markus Roth Samuel Solin, Pascal Unverricht, Frédéric Vogel

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Der Zugang zu sauberem Trinkwasser gehört seit dem UNO-Beschluss von 2010 zu den Menschenrechten. Trotzdem ist für schätzungsweise 1,8 Milliarden Menschen sauberes Trinkwasser Mangelware, Tendenz steigend. Menschen in trockenen Regionen, fernab von Flüssen oder Seen sind auf das Grundwasser angewiesen, das zunehmend absickert oder teilweise sogar salzhaltig wird. Doch eine Wasserquelle wird oft vergessen: Die Luft. «Die Atmosphäre ist ein riesiges Süsswasserreservoir und überall verfügbar», sagt Thomas Manyoky vom FHNW-Spinn-off AquAero, «sogar in trockenen Gebieten ist genug Feuchtigkeit in der Luft, um die Menschen mit sauberem Trinkwasser zu versorgen». So hat beispielsweise die heisse Wüstenluft in Marrakech mit einer absoluten Luftfeuchtigkeit von 9,7 g/m3 im Jahresmittel mehr Feuchtigkeit gespeichert als die Luft im Wasserschloss Brugg (6,8. g/m3). «Kann man nur einen kleinen Teil dieser Ressource nutzen, würde das vielen Menschen helfen», ist Manyoky überzeugt.

Adsorption mit Hightech-Material

Die drei Maschinenbauer von AquAero wollen mit einer Art Luftentfeuchter den Wasserdampf der Atmosphäre in Trinkwasser umwandeln. Die Idee ist simpel, doch die herkömmliche Luftentfeuchtung durch Kondensation ist sehr energieaufwändig, wenn man grosse Mengen an Trinkwasser in heiss-trockenem Klima gewinnen will. Das AquAero-Team vertraut darum auf das Prinzip der Adsorption. Dabei wird die Luft durch ein Material geleitet, das viel Wasser aufnehmen kann. Herkömmliche Adsorptionsentfeuchter benutzen dafür meist Silicagel, ein leicht verfügbares, günstiges Produkt. Auch die AquAero-Tüftler experimentierten zu Beginn mit dem Material, beurteilten es aber als zu ineffizient. Stattdessen setzen sie auf ein neu entwickeltes «Metal Organic Framework» (MOF). MOF sind mikroporöse Materialen, die aus metallischen Knotenpunkten und organischen Molekülen als Verbindungselemente aufgebaut sind. Aufgrund der Van-der-Waals-Kräfte bleiben die Wassermoleküle aus der Luft wie an einem ultrafeinen Netz hängen.

Energie sparen durch Wärmerekuperation

Das «eingefangene» Wasser wird in einem nächsten Schritt durch Erhitzen aus dem MOF entfernt. Bei diesem energieaufwändigen Prozess haben die Ingenieure ihre wichtigste Innovation platziert: Durch eine ausgeklügelte Wärmerekuperation kann ein grosser Anteil der eingesetzten Energie wiederverwendet werden. Zuviel möchten die Erfinder nicht verraten. Klar ist, dass ihr Luftbrunnen durch die Wärmerekuperation energieeffizient wird: «Wir werden etwa 0,3 kWh pro Liter Wasser benötigen», erklärt Thomas Manyoky. Die Ingenieure von AquAero sehen vor, dass Ihr Luftbrunnen besonders im stationären Einsatz mit Solarenergie betrieben wird. «Etwa 1/3 der Energie wird in Form von Elektrizität benötigt, der Rest als Wärme», sagt Manyoky.

Tests in der Kälte

Gegenwärtig entwickelt das Start-up seine Technologie für den Einsatz in einer unerwarteten Umgebung: In einem Kühlraum einer Grossbäckerei in Birmensdorf. Kühlräume müssen sehr trocken sein, da Kondenswasser ein Herd für Bakterien und andere Krankheitserreger ist. Ein herkömmlicher Kondensationstrockner ist darum aus hygienischen Gründen nicht geeignet. Zudem benötigen alternative Produkte oft mehr als den doppelten Energieeinsatz pro extrahierter Wassermenge Der energieeffiziente Adsorptions-Trockner von AquAero hingegen arbeitet im frostigen Kühlraum gleich ergiebig wie im heissen Klima. Beim Start des Projekts haben die AquAero-Gründer nicht an diese Anwendung gedacht – das Funktionsprinzip ist aber das gleiche. «Mit der industriellen Trocknung von Kälteräumen hat sich für uns ein neuer Markt eröffnet auf welchem wir mit unserer Technologie agieren können», sagt Thomas Manyoky, «Ziel bleibt aber, in Zukunft ein Gerät zur Gewinnung von Wasser in trockenen Gebieten zu entwickeln».

Auszeichnungen als Motivation und Bestätigung

Das Team hat gelernt zwischen Idealismus und der wirtschaftlichen Realität zu balancieren. «Es ist nicht einfach, im humanitären Sektor finanzielle Unterstützung für die Entwicklung neuartiger Technologien zu finden», gibt Manyoky zu bedenken. AquAero wird vom Forschungsfonds Aargau unterstützt. Den Jungingenieuren wird viel Geduld und Disziplin abverlangt. Umso mehr freut es das Team, wenn sie die SwissUpStart-Challenge gewinnen oder mit dem Publikumspreis des Prix Eco 2017 ausgezeichnet werden. «Das ist für uns eine Bestätigung, den Weg weiterzugehen», sagt Manyoky. Denn Herausforderungen gibt es noch genug: Das MOF zum Beispiel ist gegenwärtig noch zu teuer und nicht auf dem freien Markt erhältlich. Doch auch hier liegen bereits verschiedene Lösungen auf dem Tisch, um bald mit diesen neuartigen Materialien auf dem Markt konkurrenzfähig zu werden.

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