Warum wir in den Weltraum sehen sollten, um Antworten zur Wasserkrise zu finden

Montag, 23. August 2021

Drei Wege wie die ISS zu klügerer Siedlungswasserwirtschaft inspirieren kann

Stellen wir uns Wasser als begrenzte Ressource vor, dann würden wir es uns zweimal überlegen, ob der Wasserhahn läuft, während die Zähne geputzt oder Hände gewaschen werden. Dies ist tägliche Realität auf der internationalen Raumstation (ISS). Im Weltraum ist sauberes Wasser eine der knappsten verfügbaren Ressourcen und wird auch so behandelt. Unsere Städte sind mit einer weltweiten Trinkwasserkrise konfrontiert. Trinkwasserknappheit wird in naher Zukunft nahezu überall ein Problem werden.

Die weltweite Balance zwischen Wassernutzung und Trinkwasserversorgung kippt in die falsche Richtung. Dies wird verursacht durch schnelle Urbanisierung und die Effekte vermehrter Hitzeperioden aufgrund des Klimawandels. Städte sind mit den größten Herausforderungen in Bezug auf Wasser konfrontiert, können aber gleichzeitig auch den größten Beitrag zur Lösung bieten. Es ist an der Zeit, darüber nachzudenken, wie Städte, Kommunen oder Gemeinden zukunftsfähig gemacht werden können – aber wo sollen wir anfangen? Wir sollten den Beispielen einiger der größten Wissenschaftler, Ingenieure und Entwickler unserer Zeit folgen. Was können wir von der Art und Weise lernen, wie die ISS mit wertvollen Ressourcen umgeht?

 

Der Blick auf die Welt aus dem Weltraum

Denken Sie an eine Astronautin, die aus dem Weltraum auf die Erde blickt, eine schöne, tiefblaue und laubgrüne Erdkugel. Ein Planet, der aussieht als hätte er eine Ressource im Überfluss: Wasser. Aber der Schein kann trügen. In 20 Jahren wird die weltweite Nachfrage nach Trinkwasser größer sein als unser Vorrat. Wasser wird knapp werden. Die weltweite Wassernutzung hat sich um den Faktor sechs im letzten Jahrhundert erhöht, und wenn wir so weitermachen, werden wir im Jahr 2040 mit einem weltweiten Wasserdefizit konfrontiert (Quelle).

Von allen Bereichen auf der Erde sind es insbesondere die großen Städte, bei denen ein immer größerer Druck hinsichtlich des Trinkwassers erwartet wird. Ihre Beziehung zu Wasser ist kompliziert, da sie nicht nur ein großer Verbraucher von Wasser sind, sie üben auch den größten Druck auf unsere Wassersysteme und Infrastruktur aus. Wasser effizient und sparsam zu nutzen war nie wichtiger als heute, und trotzdem behandeln wir Wasser wie ein unversiegbares Gebrauchsgut. 50 % Wasserverlust durch Leckagen in veralteten Netzwerken zur Wasserverteilung sind nicht ungewöhnlich in städtischen Gebieten. Wasser, das – wenn es gespeichert würde – bis zu 20 Millionen Stadtbewohner mit sauberem Wasser versorgen könnte (Quelle). Es ist möglich, unsere Städte anzupassen, dass sie erfolgreich mit der Wasserbeanspruchung umgehen können, aber es erfordert eine radikal geänderte Denkweise. Und für diese andere Denkweise wenden wir uns dem Weltraum zu. 

Leckagen zu reparieren, hat an Bord der ISS höchste Priorität

Leckagen im Weltraum würden zu einem katastrophalen Verhängnis werden. Bei der Planung stellen die Raumfahrt-Ingenieure sicher, dass die Weltraumstation 100 % luftdicht ist. Mögliche Luftleckagen werden ständig von der Bodenstation überwacht. In dem Fall, dass eine Leckage entdeckt wird, gilt die höchste Priorität dem so schnell wie möglichen Auffinden und Reparieren der Leckage. Warum übertragen wir nicht dieselbe Priorität auf Leckagen in unserer städtischen Wasserinfrastruktur?

In den USA werden im Durchschnitt 13 % des Haushaltswassers durch Leckagen an Toiletten und Armaturen verloren. In Deutschland liegt dieser Wert bei circa 5 % (Quelle: Entwicklung der Wasserverluste seit 2001 in Deutschland | BDEW). Dies scheint nicht viel zu sein, aber alle diese Tropfen betragen hinsichtlich der USA zusammen fast 25.000 Liter pro Jahr und Haushalt (Quelle). Die gute Nachricht ist, dass verschiedene Firmen jetzt innovative technische Lösungen entwerfen, um Wasser aus Haushalten besser einzusetzen. Flume hat z. B. vor kurzem eine sogenannte ‘Smart Box’ entwickelt, die Hauseigentümern die Möglichkeit des deutlichen Einblicks bietet, ob Leckagen im Haus vorhanden sind, und falls ja, wieviel von ihrem wertvollen Wasser austritt (Quelle). Schäden durch Leckagen kosten Hauseigentümern in Großbritannien durchschnittlich £ 13.6 Milliarden pro Jahr. Mit anderen Worten: das Reparieren von Leckagen ist nicht nur gut für die Umwelt, sondern auch für das Portemonnaie.

Auf Städteebene bedeutet dies, dass wir unsere Wasser-Infrastruktur reparieren müssen. Eine anschwellende Stadtbevölkerung geht Hand in Hand mit einer Zunahme der Wassernachfrage für Produktion, thermale Energieerzeugung und häuslichen Gebrauch. Dennoch ist unsere momentane Wasser-Infrastruktur nicht in der Lage, diese Wassermenge sicher und effizient durch unsere Städte bereitzustellen. Veraltete Versorgungs- und Installationssysteme zeigen immer mehr Alterungserscheinungen und Abnutzung, so dass ein Großteil unseres wertvollen Trinkwassers entweder stark verschmutzt ist oder unseren Wasserhahn erst gar nicht erreicht (Quelle). Dies war auch der Fall in Kapstadt. Veraltete Rohre ließen das letzte bisschen Wasser, das nach 3 Jahren mit wenig Regen übrig war, auslaufen. Das brachte die Stadt an die Schwelle des Tages Null im Jahr 2018, der Punkt, an dem die städtische Wasserversorgung abgeschaltet würde. Glücklicherweise konnte die Krise durch Nutzung von intelligenter Technologie abgewendet werden. Bei Wavin haben wir eine solcher Lösungen entwickelt, nämlich Compact Pipe®. Mit Hilfe dieser Druckrohre konnten wir die unterirdischen Netzwerke komplett erneuern, ohne irgendwelche Löcher graben zu müssen. Und so funktioniert es: das längs gefaltete Compact Pipe® wird in ein bestehendes Wasserrohr eingezogen und dann mit heißem Dampf erhitzt. Dadurch, dass das Kunststoffrohr sich an seine ursprüngliche Form erinnert (Memory-Effekt), dehnt es sich durch die Erhitzung wieder aus in seine ursprünglich größere, runde Form, wodurch ein wasserdichtes neues Rohr in dem bestehenden alten Rohr entsteht. Dadurch können Städte Leckagen effizient und wirksam reparieren, ohne ihre Wassersysteme komplett aufgraben zu müssen.

In der ISS ist das Speichern, Filtern und Wiederverwenden von Wasser von höchster Wichtigkeit

In der internationalen Raumstation ist sogar der kleinste Tropfen zu wertvoll, um ihn zu verschwenden, so dass jeder Tropfen wieder in Trinkwasser umgewandelt wird. Der Recyclingprozess des Wassers an Bord der ISS wird durch das Umweltkontroll- und Lebenserhaltungssystem (ECLSS = Environmental Control and Life Support System) kontrolliert. Dieses leistungsstarke System recycelt bis zu 90 Prozent Flüssigkeit, die aus dem Urin der Besatzungsmitglieder sowie von den Versuchstieren an Bord, aus Waschwasser und Kondensat aus der Luft gewonnen wird.

Bei der Consumer Electronics Show (CES – Unterhaltungselektronik-Show) 2021, hat Exaeris Water Innovations gezeigt, wie man die Feuchtigkeit in unserer Luft wiederverwenden kann, so wie es im Weltraum gemacht wird. Dies ist eine großartige Idee, wenn man berücksichtigt, dass die Luft in unserer Atmosphäre extrem feucht ist – im Gegensatz zu der im Weltraum. Exaeris’ tragbares AcquaTab-System erzeugt Wasser aus Luft für den häuslichen Gebrauch. Die von diesem System produzierte Wassermenge ist zwar viel zu gering, um Haushalte zu versorgen, aber die Technologie bietet sicherlich Möglichkeiten für die Zukunft.

Die derzeit verfügbare Systeme abseits des Weltraumes, so stehen in manchen Punkten dem innovationsdrang auf der ISS in nichts nach. Sind es vor allem sichere und nachhaltige Rohrsysteme, beispielweise aus Kunststoff, die einen Beitrag leisten können, um Leckagen zu verhindern. Dabei spielt der Einsatzort keine Rolle. Unter der Erde bieten Versickerungs- und Rückhalterigolen, wie Q-Bic Plus, die Möglichkeit Regenwasser zu nutzen oder der Natur wieder zurückzugeben – Stichwort natürlicher Wasserkreislauf. Auch in Gebäuden lässt sich viel für die Trinkwasserversorgung tun. Hier kann das Tigris K5/M5 System, bevor tatsächlich Wasser durchfließt, lediglich mit Luft ein akustisches Signal geben, ob das Gesamtsystem auch wirklich dicht ist.


Die ISS nutzt Wasser, um extreme Temperaturunterschiede inner- und außerhalb der Station zu regulieren

Wenn es effizient eingesetzt wird, kann Wasser für so viel mehr als nur zum Trinken und Reinigen genutzt werden. Im Weltraum wird Wasser auch zur Temperaturregulierung eingesetzt. Da die ISS um die Erde kreist, unterliegt sie großen Temperaturschwankungen. Ähnlich wie bei dem Mond hat die ISS zwei Seiten: eine ist der Sonne zugewandt, die andere ist der Sonne abgewandt. Die Temperatur auf der der Sonne zugewandten Seite kann bis auf ca. 120 °C steigen, während sie auf der „dunklen Seite“ auf ca. -160 °C fallen kann. Dies ist ein Temperaturunterschied von ca. 280 °C. Aber mit Hilfe der “intelligenten Wassernutzung” kann die Temperatur in der ISS konstant bei komfortablen 24 °C gehalten werden. Um die Station und die Ausrüstung kühl zu halten, haben Ingenieure ein spezielles Wärmeabgabesystem entwickelt. Abwärme wird durch ein geschlossenes Rohrnetzwerk, das mit Wasser gefüllt ist, transportiert. Wärmetauscher verlieren die Wärme, indem sie das Wasser aufheizen, welches dann wiederum die Wärme zu anderen Rohren, die mit Ammoniak gefüllt sind, transportiert. Das Ammoniak transportiert die Wärme aus der ISS heraus zu Radiatoren, die letztendlich die überschüssige Wärme in den Weltraum übertragen.

Das Wärmen von Gebäuden mit in Rohren zirkulierendem Wasser ist gängige Praxis bei Fußbodenheizungssystemen. Mit steigenden Temperaturen in Städten ist es jedoch die größte Herausforderung, Gebäude kühl zu halten. Von daher haben Firmen angefangen, das gleiche Rohrnetzwerk, welches durch Fußböden und Decken läuft, auch zur Kühlung zu nutzen. Im Vergleich zu Klimaanlagen ist Unterbodenkühlung deutlich energieeffizienter und bietet einen viel komfortableren Kühleffekt. Bei Wavin haben wir ein solches Heiz- und Kühlsystem entwickelt, dass über eine zentrale Kontrolleinheit betrieben wird, die die ideale Temperatur durch Überwachung der Einlass- und Auslasstemperatur und deren entsprechende Anpassung beibehält. So wie die ISS Wärme der Sonne nutzt, hängt unsere Lösung auch von nachhaltigen Heiz- und Kühlquellen ab wie z. B. Sonnenenergie, Erdwärme und Restwärme. Wenn wir daher Wasser auf andere Art und Weise betrachten, finden wir, dass es weit mehr zu bieten hat, als wir denken. Daher sollten wir es sammeln und nicht verschwenden.


Schlussfolgerung

Wasserprobleme werden im Allgemeinen als weltweites Thema angegangen, wobei die Probleme und Herausforderungen tatsächlich auf lokaler Ebene gelöst werden sollten und letztlich auch müssen. Eine Zusammenarbeit mit verschiedenen Parteien ist ein Schlüsselfaktor, um zur Veränderung zu führen. Alle Parteien können zusammenarbeiten, um Lösungen zu finden, die Antworten auf die wasserbezogenen Herausforderungen in Städten liefern. Jeder ist Teil dieser Veränderung – von einzelnen Bürgern über lokale Aktionen, Firmen, Regierungen bis zu wissenschaftlichen Institutionen.

Wenn Wasserleckagen in Städten repariert werden, führt dies zu weniger Verschwendung von sauberem Wasser. Abwasser und Wasser aus der Atmosphäre können gesammelt und gefiltert werden, um die Wassernutzung zu reduzieren. Wasser kann zur Wärmeregulierung genutzt werden, was zu weniger Ressourcen führt, die für Heizung und Kühlung eingesetzt werden. Die Umsetzung dieser Konzepte in städtischen Systemen – auf die eine oder andere Weise – wird einen gewaltigen Unterschied machen, wodurch die Städte zukunftsfähiger werden.

Erfreulicherweise steigt das Bewusstsein für die kommende Wasserknappheit und die damit verbundenen Probleme. Wissen, Erfahrung und Gesetze bewegen sich zu langsam, um den kommenden Gefahren, mit denen wir konfrontiert werden, zuvorzukommen. Ironischerweise spielt Wasserverfügbarkeit hier eine große Rolle. In Stadtgebieten steht Wasser fertig ab Wasserhahn zur Verfügung, wodurch die Illusion entsteht, dass sauberes Wasser und Trinkwasser keine Ressourcen sind. Es ist offensichtlich, dass ein Paradigmenwechsel in Bezug auf die Weise, wie wir über sauberes Wasser denken und es behandeln, nötig ist. Städte können Wasser nicht länger wie ein Gebrauchsgut behandeln. 

 

Wir würden gern die großen Denker der ISS, bei der NASA sowie der anderen Raumfahrtorganisationen einladen, sich mit uns zusammenzusetzen und ihre Erfahrungen mit intelligenter Wassernutzung zu teilen. Wir glauben, dass wir die Wasserherausforderungen der Welt lösen können, wenn wir voneinander lernen und zusammenarbeiten.