Pictures of the Future      Frühjahr 2005

Vom Bakteriencocktail zum Lebensspender

Die Jahrhundertflut in Südostasien hat der Welt eine Problematik vor Augen geführt, die zumindest in den Industrieländern lange vergessen schien: Verseuchtes Trinkwasser kann ebenso tödlich sein wie die gewaltigen Tsunamis. Es könne sogar mehr Opfer fordern, als die Flut selbst, sagt Jan Egeland, UN-Koordinator für Katastrophenhilfe. In der Tat ist schmutziges Wasser buchstäblich ein globaler Killer, nach UN-Angaben verantwortlich für mehr als 80 % aller Krankheiten und mehr als ein Drittel aller Todesfälle in den Entwicklungsländern. Sauberes Nass ist daher lebenswichtig, doch ein Sechstel der Weltbevölkerung muss heute darauf verzichten – mangelnde Infrastruktur, ungleich verteilte Reserven oder ungünstige geographische Gegebenheiten sind der Grund dafür. Selbst in Industrieländern wie Spanien oder Italien ist Wassermangel an der Tagesordnung (siehe Interview), und das Problem dürfte sich sogar noch verschärfen: Bis zum Jahr 2025 könnten laut Prof. Klaus Töpfer, Leiter des Umweltprogramms der Vereinten Nationen, zwei Drittel der Weltbevölkerung in Ländern mit mittlerer oder großer Wasser­knappheit leben. "Daher ist Wasser einer der Schwerpunkte unserer Milleniums-Entwicklungsziele", betont Töpfer. So hat sich die UN vorge­nommen, bis 2015 die Zahl der Menschen, die keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser haben, zu halbieren.

Ein ehrgeiziges Ziel, das nur mit leistungsfähigen Aufbereitungssystemen zu erreichen ist. Diese Anlagen müssen eine Vielzahl unterschiedlicher Stoffe aus schmutzigem Wasser herausfiltern. In etlichen Industrieländern tun sie dies schon sehr erfolgreich: Dort enthält Flusswasser dank effektiver Ab­wasser­aufbereitung (Abwasserreinigung) und strenger Umweltvorschriften neben den üblichen Schwebstoffen wesentlich geringere Mengen an Keimen und Umweltgiften als viele Flüsse in Entwicklungsländern. In Flüssen der Dritten Welt vermischen sich oft Hepatitisviren, Fäkalbakterien wie Cholera- oder Typhuserreger, Gifte aus der Landwirtschaft oder Schwermetalle wie Blei zu einem gefährlichen Cocktail. Siemens hat jedoch etliche Aufbereitungs­methoden im Repertoire, die auch der unappetitlichsten Suppe Herr werden: Das reicht von Desinfektionssystemen, die mit energiereicher ultravioletter Strahlung funktionieren, bis zu Reinigungssystemen, die Wasser mit Sand- oder Membranfiltern säubern. Oft werden die verschiedenen Verfahren auch miteinander gekoppelt, denn nicht jede Methode entfernt jede Verunreinigung.

Zu den effektivsten Verfahren gehören Membransysteme, wie sie die Experten von Water Technologies (Abwasserreinigung) bei Siemens Industrial Solutions and Services entwickeln. Die feinsten unter diesen Filtern, so genannte Umkehrosmosefilter, können selbst Partikel unterhalb eines Nano­meters zurückhalten, nur Wassermoleküle lassen sie passieren. Allerdings ist dieser Prozess, bei dem Wasser mit hohem Druck durch winzige Poren ge­presst wird, sehr energieintensiv. Welches Membransystem sich am besten für den jeweiligen Einsatz eignet, hängt letztlich von der gewünschten Wasser­qualität und den Bedingungen vor Ort ab.

Effektive Tsunami-Helfer. Nach der Tsunami-Katastrophe in Südostasien hat Siemens Wasseraufbereitungsanlagen in die Unglücksregion geliefert. Die sieben Memcor AXIM Systeme sind Niederdruck-Membranfilter in mehreren, nebeneinander aufgereihten Modulen. Jede der nur etwa Pkw-großen Anlagen kann 100 m³ Trinkwasser pro Tag produzieren – das reicht, um eine Kleinstadt zu versorgen. "Diese Membranen können Partikel bis zu einer Größe von 0,1 µm aussieben", erklärt Stratton Tragellis, Memcor Produktmanager in Sturbridge, Massachusetts. "Tierische Einzeller, Bakterien, Algen und andere Mikroorganismen werden so zuverlässig entfernt." Ein Membranmodul funktioniert im Grunde wie ein sehr feines Sieb: Es besteht aus etwa 10 000 porösen Kunststofffasern, die in einem zylinderförmigen Gehäuse gebündelt sind. Das Schmutzwasser wird mit einer Pumpe von der Außenseite des Moduls durch die Membran nach innen gezogen oder gepresst. Dabei bleibt jedes Teilchen, das dicker als die 0,1 µm feinen Poren ist, buchstäblich auf der Strecke – auch alle Bakterien.

Am Ende der Membran tritt gefiltertes Wasser aus. Je nach Herkunft kann es allerdings noch einige Viren enthalten, die kleiner als 100 nm sind und daher selbst durch Mikroporen hindurchschlüpfen können. Deshalb sind die Anlagen mit einem Desinfektionssystem gekoppelt. Das Ergebnis ist Trinkwasser höchster Qualität. Um die Membranen von aussortierten Partikeln zu säubern, wird periodisch mit Filterwasser rückgespült, Druckluft reinigt gleichzeitig die Oberfläche. Alle vier bis sechs Wochen erfolgt zusätzlich eine chemische Reinigung.

Eingesetzt werden die Anlagen vor allem bei kommunalen Wasserversorgern und in der Industrie. Ihr Marktanteil steigt kontinuierlich. Der Grund: Im Vergleich zu konventionellen Filtermethoden sparen sie dem Betreiber hohe Kosten. "Zwar haben Membrananlagen teilweise einen höheren Anschaffungs­preis als herkömmliche Systeme", sagt Tragellis, "doch erfüllen sie die immer strengeren Qualitätsstandards, benötigen weniger Platz und haben geringere Installationskosten. Auch der Unterhalt ist günstiger. Darüber hinaus ver­brauchen sie nicht so viel Energie wie etwa Destillationssysteme und kommen mit sehr wenig Chemikalien aus." In Zukunft, glaubt Tragellis, werden Auf­bereitungs­systeme nur noch mit Membranen ausgestattet sein. "Der Trend geht in Richtung immer leistungsfähigerer Anlagen mit geringerem Platz­bedarf."

Mobile Trinkwasserfabriken. Kleine und flexible Anlagen sind bereits heute eine Spezialität von Siemens: Die "Mobile Services" – in einem Lkw-Anhänger eingebaute Trinkwasserfabriken – können überall dort eingesetzt werden, wo gerade dringender Bedarf an sauberem Nass herrscht. Und das innerhalb von 48 Stunden. Mit diesen fixen Diensten ist Siemens Water Technologies – vor­mals USFilter (Abwasserreinigung) – in den USA seit über 20 Jahren Markt­führer. Seit zwei Jahren werden auch Kommunen beliefert. Wie etwa im Jahr 2004 in Florida: "Bauarbeiten an einem Rückhaltebecken beschädigten ein Leitungssystem, das den Ferienort Steinhatchee mit Trinkwasser versorgt", erzählt Bob Newton von Municipal Services. "Danach war das Wasser mit Fäkalkeimen verschmutzt und färbte sich dunkel." Im Auftrag der Stadt schickte er umgehend zwei Trucks mit einem Umkehrosmose- und Aktivkohlefilter zum Unglücksort. "Daraufhin erreichte das Wasser wieder alle Qualitätsstandards." Die mobilen Systeme können zwischen 750 und 3785 l Trinkwasser pro Minute produzieren und bis zu 18 Monate in Betrieb bleiben – so lange bis alle Schäden wieder behoben oder stationäre Aufbereitungsanlagen errichtet sind. "Je nach Ausmaß und Ursache der Verschmutzung bieten wir verschiedene Lösungen an, die alle miteinander kombinierbar sind", sagt Newton. Im Repertoire sind sechs verschiedene Reinigungsmethoden, dieses Jahr sollen noch Memcor CMF-Filter hinzukommen (CMF steht für Continuous Micro­filtration). "Damit sind wir gut gerüstet, vor allem für die kommende Hurrikan-Saison." Im Südosten der USA sind die Wirbelstürme jedes Jahr ein Problem – allein im Herbst 2004 fegten zwölf Hurrikans übers Land und hinter­ließen enorme Verwüstungen. "Eine schnelle und effektive Wasserauf­bereitung", betont Newton, "ist für die Menschen dann lebenswichtig."

Keimtötender Tauchsieder. Sauberem Wasser hat sich auch ein weiteres Siemens-Unternehmen verschrieben. Radium, eine zu Osram gehörende Firma in Nordrhein-Westfalen, entwickelt UV-Strahler zur Trinkwasserent­keimung. Die Lampen bestrahlen unter anderem Abwasser in Kläranlagen oder desinfizieren Trinkwasserversorgungen von Wohnhäusern. Neu ist ein kleines, mobiles System für Camping-Anwendungen oder Einsätze in der Dritten Welt: "Wir haben ein Niederdruck-UV-System entwickelt, das wie ein Tauchsieder funktioniert", sagt Marketing-Manager Hans-Jürgen Streppel. "Der Nutzer hängt die Lampe in einen etwa 20 l großen Behälter und schaltet sie ein." Daraufhin durchdringe die energiereiche UV-Strahlung alle Bakterien­zell­kerne und zerstöre die Erbsubstanz. "Nach etwa 15 Minuten", erklärt Streppel, "ist das Wasser komplett keimfrei – ganz ohne Chemie." Am besten eignet sich der 25 cm lange Strahler für Trinkwasser, dem man nicht so recht über den Weg traut – etwa wenn es auf Campingplätzen bei hohen Temperaturen lange gelagert wurde.

Für den Einsatz in Entwicklungsländern hat Radium eine Variante entwickelt, die mit Solarzellen betrieben werden kann. Im Frühjahr 2005 kam der keim­tötende "Tauchsieder" auf den Markt. So gefährlich das System für Bakterien ist, so harmlos erweist es sich dagegen für seinen Nutzer – was bei An­wendungen mit aggressivem UV-Licht keine Selbstverständlichkeit ist. "Wir haben einen Sicherheitsabschalter integriert, der den Strom sofort unterbricht, sobald die Lampe aus dem Behälter genommen wird", sagt Streppel. "Ein vergleichbares UV-System gibt es bislang nirgendwo." Der Keimkiller wirkt allerdings nur gegen Mikroorganismen – Umweltgifte wie Pestizide kann man damit nicht beseitigen. "Noch nicht", meint der Radium-Experte, "aber wir arbeiten an so genannten Xeradex-Lampen, die erheblich kurzwelligere UV-Strahlen aussenden. So lassen sich selbst chemische Verbindungen un­schädlich machen."

Wasser unter Hochspannung. Dr. Werner Hartmann von Siemens Corporate Technology (CT) und sein Team setzen auf eine ungewöhnliche Methode zur Trinkwasseraufbereitung. Die Erlanger Forscher wollen schmutziges Wasser mit Hilfe gepulster elektrischer Felder reinigen. In zwei bis vier Jahren könnte eine erste Anlage entstehen. Das Prinzip: "Das Wasser durchfließt eine Kammer, die zwei Elektrodenplatten im Abstand von wenigen Zentimetern enthält. An diesen liegt eine gepulste Hochspannung von etwa 100 000 V mit Pulsdauern unter 1 µs. Dabei entstehen sehr hohe elektrische Feldstärken", erklärt der Siemens-Wissenschaftler. Das bringt zwei Prozesse ins Rollen, die Bakterien, Viren, Algen und auch Muschellarven ein schnelles Ende bereiten. "Zum einen werden alle Zellwände poröser, was die Zellen zerstört", sagt Hartmann. "Zum anderen entstehen dabei freie Radikale und weitere reaktive Substanzen wie Ozon, die zusätzlich entkeimend wirken und chemische Fremd­stoffe abbauen." Kohlenwasserstoffe, Pflanzengifte oder auch Hormone würden wie von Geisterhand unschädlich gemacht.

Autarke Wasserspürnase. Mindestens ebenso wichtig wie reines Nass aus dem Wasserhahn sind saubere Gewässer – denn von dort beziehen viele Städte und Gemeinden einen Großteil ihres Trinkwassers. In Deutschland wird die Qualität von akkreditierten Großlabors geprüft, die alle vier Wochen eine Probe entnehmen und analysieren. Bis ein fertiges Ergebnis vorliegt, vergehen in der Regel ein bis zwei Tage, zudem ist die Untersuchung auf­wändig und recht teuer. Günstiger und viel schneller funktioniert dagegen ein mobiles Wasseranalysesystem, das Siemens im Rahmen eines EU-Projekts mit der Universität Tübingen, dem Technologiezentrum Wasser in Karlsruhe und weiteren Partnern entwickelt hat. Das nur koffergroße AWACSS (Automated Water Analyser Computer Supported System) kann 32 Stoffe selbstständig nachweisen und übermittelt die Informationen online oder via SMS an den Betreiber. "In 1 l Wasser lassen sich damit beispielsweise wenige Nanogramm Pestizid in höchstens 15 Minuten aufspüren", sagt Dr. Joachim Kaiser von CT in Erlangen. "Bislang gibt es kein vergleichbares System auf der Welt."

Herzstück von AWACSS ist ein Biochip, der Moleküle von Umweltgiften ein­fängt: Die Gewässerprobe wird zunächst mit Antikörpern vermischt, die mit einem fluoreszierenden Farbstoff versehen sind. Enthält die Probe die jeweils passenden Moleküle, etwa von Pflanzengiften, docken die Antikörper an und markieren dadurch die Giftteilchen. Daraufhin drückt eine Pumpe die Flüssig­keit über den Biochip – das ist ein streichholzschachtelgroßes Glasplättchen, auf dem Fängermoleküle präpariert sind. Diese fangen alle markierten Gift­moleküle ein, während die anderen Partikel mit einem Schuss klaren Wassers vom Plättchen gespült werden.

"Art und Menge der Umweltgifte können wir erfassen, indem wir die Moleküle zum Leuchten bringen", erklärt Kaiser. Im Chip ist hierzu ein Lichtwellenleiter integriert, der von einem Laser durchstrahlt wird: Das Laserlicht bringt die gefangenen Giftteilchen zum Fluoreszieren – und dies wiederum macht sie für einen optischen Sensor sichtbar. "Nach jeder Messung wird der Chip mit einer so genannten SDS-Lösung gespült, die alle gebundenen Antikörper abspaltet, ohne die Fängermoleküle zu zerstören – ein Chip reicht daher für 300 Analy­sen", sagt der Siemens-Wissenschaftler.

Geschlechtshormone im Wasser? Neben Antibiotika und Pestiziden lassen sich mit AWACSS auch Hormone wie Östrogen aus Antibabypillen sicher aufspüren. Der Nachweis von derartigen Substanzen im Wasser könnte bald obligatorisch werden, meint Kaiser. Denn die Europäische Union untersucht momentan das Gefahrenpotenzial dieser Stoffe, die womöglich das Erbgut verändern und für Mikroorganismen und Tiere gefährlich sein können. Noch scheitert der Einsatz von AWACSS allerdings an nationaler Gesetzgebung, zumindest in Deutschland: Bislang dürfen in der Bundesrepublik nur akkreditierte Labors Wasseruntersuchungen vornehmen, eigenständige Überwachungsinstrumente sind noch nicht zugelassen. "Doch mit AWACSS", sagt Kaiser, "muss in den nächsten Jahren fest gerechnet werden."
                                                                                                                   Florian Martin