Die Systemtechnik-Absolventin Manuela Wipf hat ein Messverfahren weiterentwickelt, mit dem lichtabsorbierende Stoffe wie Nigrosin, Nanosilber und Carbon Nanotubes von wenigen Mikrogrammen pro Liter in Echtzeit im Wasser detektiert werden können. Dabei setzt sie auf die sogenannte photothermische Interferometrie – kurz PTI. Die Forschungsgruppe von Prof. Dr. Ernest Weingartner am Institut für Sensorik und Elektronik FHNW arbeitet seit Jahren mit PTI, um beispielsweise winzig kleine Russpartikel in der Luft nachzuweisen. Manuela Wipf hat in ihrer Bachelor-Arbeit gezeigt, dass die Methode auch bei Wasser genutzt werden kann. Für ihre Leistung wird sie nun mit dem Förderpreis 2020 von sensors.ch, der Schweizerischen Sensorvereinigung, ausgezeichnet.

Auch zum Nachweis von Mikroplastik geeignet

Beim neuen Messverfahren erwärmt ein Laser die lichtabsorbierenden Partikel. Der Laser misst zeitgleich auch die durch den PTI Effekt verursachte Erwärmung. Je höher die Veränderung, desto mehr lichtabsorbierende Partikel hat es im Wasser. Ein Vorteil dieser Methode liegt darin, dass die spezifische Detektion auch in Gegenwart von anderen lichtstreuenden Partikeln möglich ist, somit absorbierende Partikel auch in «trüben» Lösungen empfindlich und selektiv nachgewiesen werden können. Durch Anpassen der Lichtwellenlänge ist es denkbar, dass sich das neue Verfahren auch für den spezifischen Nachweis von Mikro- und Nanoplastik im Trinkwasser eignet, ein hochaktuelles, vieldiskutiertes Thema zur Qualität der Wasserversorgung.

«Für uns war dies eine der besten Bachelor-Thesen, die wir in den letzten Jahren begleiten durften», sagt Ernest Weingartner, der zusammen mit Bradley Visser die Abschlussarbeit von Manuela Wipf betreute, «sie zeigt beeindruckend die hohe Leistungsfähigkeit und Praxistauglichkeit unserer Absolventen». Manuela Wipf konnte nach ihrem Bachelor-Abschluss im Herbst 2019 als Wissenschaftliche Assistentin im Institut für Sensorik und Elektronik FHNW an ihrem Messverfahren weiterarbeiten. Ziel ist die weitere Optimierung und der praktische Einsatz im Feld – beispielsweise bei der Qualitätsüberwachung unseres Trinkwassers.

Feinstaubmesstechnik und Aerosoltechnologie

Das Institut für Sensorik und Elektronik FHNW verfügt ausgezeichnete Kompetenzen in der Entwicklung von Feldmesstechnik bis zur Feinstaubüberwachung.

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Ein lichtdurchfluteter, weisser Raum. Kleine Wassertropfen verlassen regelmässig 258 im Kreis angelegte Düsen. Auf der hydrophoben Oberfläche bleiben die Tropfen intakt und kugeln ungewöhnlich schnell auf einer gerillten Fläche hinunter in einen See. Auf einmal wird dieser lautlos entleert und der Zyklus beginnt von vorne.

Die faszinierende Installation konnten die Besucherinnen und Besucher der Olympischen Winterspiele in Pyeongchang 2018 bestaunen. Die Tropfen-Choreographie war Teil des Hyundai-Pavillons. Der südkoreanische Grosskonzern hatte kürzlich sein erstes wasserstoffbetriebenes Fahrzeug entwickelt und wollte die Wasserstofftechnologie in einen künstlerischen Kontext stellen. Entworfen wurde der Pavillon vom englischen Star-Architekten Asif Khan. Die technische Umsetzung übernahmen das Schweizer Unternehmen iart und – spezifisch für die Wasserinstallation – die Hochschule für Technik FHNW. Das Institut für Thermo- und Fluid-Engineering FHNW hatte die Aufgabe, die Tropfenerzeugung und das Versorgungssystem der Wasserinstallation zu konzipieren, berechnen, konstruieren und umzusetzen. Dazu gehörten unter anderem die Düsen, die Ventilsteuerung, das Verteilsystem, die Pumpenanlage, die Puffertanks und eine Seehebevorrichtung.

«Damit die Tropfen-Choreographie perfekt funktioniert, musste alles genau aufeinander abgestimmt sein», sagt Manuel Voggesser, der als Wissenschaftlicher Assistent das Projekt begleitete. Dabei war der enge Zeitplan die grösste Herausforderung. Vom ersten Kontakt mit dem Auftraggeber bis zur betriebsbereiten Installation der Anlage in Korea hatte das Team nur gerade vier Monate Zeit. Eine schnelle, gut funktionierende Kommunikation war dabei essentiell: «Wir hatten jeden Tag ein stündiges Telefongespräch mit unserem Auftraggeber», erinnert sich Voggesser, «dabei änderten sich die Design-Vorgaben ständig».

Eine solche Vorgabe war, dass die Besucherinnen und Besucher des Pavillons ein möglichst lautloses Erlebnis der Installation haben mussten. Darum installierte das FHNW-Team die Pumpen in einem schallgedämpften Raum. Besonders das sekundenschnelle Entleeren des 300 Liter grossen Sees musste völlig geräuschlos erfolgen. «Asif Khan befürchtete, dass Abflussgeräusche das Erlebnis stören könnten», verrät Manuel Voggesser. Das FHNW-Team erfüllte die Anforderung mit einer entsprechend grossen Dimensionierung der Röhren, so, dass keine störenden Verwirbelungen entstehen konnten.

Eine weitere Schwierigkeit: Das FHNW-Team konnte nichts testen, sie mussten ihren Berechnungen vertrauen. Erst beim Aufbau vor Ort zeigte sich, ob sie richtig lagen. Dieser Aufbau in Südkorea hatte es in sich: Bei zweistelligen Minustemperaturen verlegten Voggesser und seine Kollegen kilometerlange Schläuche, installierte Pumpen und Tanks. Die improvisierten Gasöfen trockneten die Luft im halbfertigen Gebäude aus. Durch die tiefschwarze Farbe der Fassade gelangte Russ in den Innenraum und machten das Atmen schwer. «Erst als wir uns geweigert haben, weiterzuarbeiten, hat man Lüftungen installiert», erzählt Edgar Brodmann, Laborleiter am Institut für Thermo- und Fluid-Engineering FHNW.

Trotz der Schwierigkeiten beim Aufbau, die positiven Eindrücke überwiegen: «Das war ein einmaliges Projekt», schwärmt Brodmann. Auch die Fachwelt war vom Pavillon begeistert. Das Projekt wurde kürzlich mit dem Xaver-Award in der Kategorie «Best Brandworlds & Temporary Exhibitions» mit Gold ausgezeichnet. Der Xaver-Award ist das bedeutendste nationale Gütesiegel der LiveCom-Branche. Neben dem Xaver-Award wurde der Hyundai-Pavillon bereits mit dem iF-Design Award 2019, mit Silber bei den Clio Awards 2018 und Bronze bei Cannes Lions 2018 ausgezeichnet.

Das Projektteam

• Prof. Dr. Christoph Gossweiler
• Sebastian Teutloff
• Manuel Voeggesser
• Edgar Brodmann

Das Institut für Thermo- und Fluid-Engineering

Die Kompetenzen des Instituts für Thermo- und Fluid-Engineering liegen im Thermal Systems Engineering inklusive Verbrennung und Gasturbinenprozesse sowie in der automatisierten Simulation und Optimierung von Herstellungsprozessen mit den Spezialgebieten Wasserstrahl- und Zerstäubungstechnologie.

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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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