Hacken Sie Ihr Essen mit Wasser

Einige der trockensten Orte der Erde sind auch diejenigen, die für die landwirtschaftliche Nutzung, den Ausbau von Wohngebieten und das Wirtschaftswachstum am schwierigsten zu erschließen sind. Aus diesem Grund suchen Wissenschaftler nach einfachen und kostengünstigen Möglichkeiten, Menschen in abgelegenen Wüstenregionen die Produktion von sauberem Wasser zu ermöglichen, das sie sicher trinken, kochen und für den Anbau von Pflanzen nutzen können, die sie zum Überleben benötigen.

Jahrelang konzentrierten sich Forscher auf dem Gebiet der atmosphärischen Wassergewinnung (Atmospheric Water Harvesting, AWH) auf mechanische Strukturen, die von in der Wüste lebenden Pflanzen und Tieren inspiriert waren, wie etwa Beulen auf dem Rücken des Namib-Wüstenkäfers, die morgendliche Nebeltropfen auffangen können.

Doch Wissenschaftler der University of Texas in Austin versuchen einen anderen Ansatz. Sie testen Hydrogele, um Wasser einzufangen und abzugeben – und verwenden dabei die gleichen Zutaten, die in Bubble Tea, Instantnudeln und Augentropfen enthalten sind.

Probieren Sie die folgenden Aktivitäten aus, um zu sehen, wie Hydrogele funktionieren. Dann können Sie damit leckeres Gemüse anbauen und es zu Rezepten hinzufügen, um lustige Desserts zuzubereiten!

Hydrogele sind eine Art Polymer (eine lange Molekülkette), das eine große Menge Wasser aufnehmen kann, sich aber nicht auflöst. Sie sind hydrophil, das heißt, sie ziehen Wassermoleküle an – und wenn das der Fall ist, können sie auf ein Vielfaches ihrer ursprünglichen Größe anschwellen. Es gibt auch hydrophobe Polymere, die Wasser abweisen.

Die Wissenschaftler der UT Austin stellten ein neues Hydrogelmaterial aus zwei Hauptsubstanzen her:

Durch die Kombination dieser Substanzen bauten Wissenschaftler einen Wasserkondensator, der keinen Strom benötigt. Nachts, wenn es kühl ist, nimmt es Wasserdampf auf. Tagsüber, wenn es warm ist, tritt flüssiges Wasser aus. Da mittlerweile zwei Drittel der Weltbevölkerung unter Wasserknappheit leiden, könnten diese einfachen Wasserauffangmaterialien Teil der Lösung für das wachsende Problem der Frischwasserversorgung sein.

In diesen beiden Aktivitäten testen Sie, wie groß hydrophile Gele wirklich werden können, wenn sie Wasser aufnehmen und was passiert, wenn sie es abgeben. Anschließend nutzen Sie das in den Hydrogelen gespeicherte Wasser, um neue Pflanzen zu züchten.

Sicherheits- und Reinigungshinweise:

Beginnen Sie Ihr Experiment mit Hydrogelen, indem Sie testen, wie stark sich die Gelkügelchen ausdehnen, wenn sie Wasser zugesetzt werden, und wie lange es dauert, bis sie das Wasser abgeben und wieder schrumpfen.

Berücksichtigen Sie bei der Arbeit an dieser Aktivität diese Fragen.

Geben Sie eine bestimmte Menge Perlen in Ihren Messbecher oder Behälter. Fügen Sie dann Wasser hinzu, um den Behälter zu füllen. Bildnachweis: Kathy Ceceri

Warten Sie, bis die Perlen das Wasser aufgenommen haben. Bildnachweis: Kathy Ceceri

Messen Sie, wie stark sich die Perlen ausdehnten, nachdem sie das gesamte Wasser aufgenommen hatten. Bildnachweis: Kathy Ceceri

Legen Sie Ihre expandierten Perlen in einen Behälter und markieren Sie die Höhe der Perlen mit einer Linie. Schreiben Sie das Datum auf den Behälter. Bildnachweis: Kathy Ceceri

Lassen Sie die Perlen trocknen und lassen Sie das Wasser ab. Sehen Sie, wie viele Tage es dauert, bis die Perlen wieder ihre ursprüngliche Größe erreichen. Bildnachweis: Kathy Ceceri

Für diese Aktivität verwenden Sie die Perlen, die Sie in Aktivität 1 hydratisiert haben (denen Sie Wasser hinzugefügt haben), um Behälter zum Nachwachsen von Gemüseresten zu füllen, die essbares Grünzeug produzieren, wie z. B. den übrig gebliebenen weißen Zwiebelanteil einer Frühlingszwiebel oder die Blattoberseite einer Karotte. Die Perlen halten Wasser fest, das das Wachstum neuer Wurzeln fördert.

Berücksichtigen Sie bei der Arbeit an dieser Aktivität diese Fragen.

Stechen Sie Löcher in den Boden Ihres Behälters. Fügen Sie hydratisierte Perlen hinzu. Platzieren Sie Ihre ausgewählten Pflanzen mit der Wurzelseite nach unten in den Perlen. Bildnachweis: Kathy Ceceri

Stellen Sie Ihre Behälter mit Pflanzen in eine wasserdichte Schale. Bildnachweis: Kathy Ceceri

Geben Sie Ihren Pflanzen Sonnenlicht und lassen Sie sie wachsen. Möglicherweise müssen Sie zusätzliches Wasser hinzufügen. Bildnachweis: Kathy Ceceri

Die Zelluloseart, die Sie für diese Aktivität verwenden, ist thermoreversibel. Sie erhitzen das Hydrogel, damit es aufquillt, und beobachten dann, wie das Wasser wieder heraussickert, während es auf Raumtemperatur abkühlt. Fügen Sie es zu einer Eiscremebasis hinzu, um ein Dessert zu erhalten, das heiß seine Form behält und beim Abkühlen zu schmelzen beginnt!

Das Rezept hier verwendet Methocel A4C, eine Art Methylzellulose, die bei 122–131 °F (50–55 °C) ein festes Gel bildet. Andere Arten von Methylzellulose erfordern möglicherweise andere Kochzeiten oder andere Konzentrationen. Verwenden Sie eine Waage, wenn Sie mehr Kontrolle über die Hydrogelmenge in Ihrem Eis haben möchten.

* Wenn kein Backofen zur Verfügung steht, können Sie eine Kugel in einer Schüssel mit sehr heißem Wasser „pochieren“. Halten Sie die Schaufel so lange im Wasser, bis die Außenseite fest wird, bevor Sie sie hineinschieben.

Sicherheits- und Reinigungshinweise:

Dieses Polymer nimmt Wasser auf und wird im heißen Zustand fest. Dann gibt es beim Abkühlen auf Raumtemperatur die eingefangene Flüssigkeit ab, so dass es aussieht, als würde sie schmelzen.

Berücksichtigen Sie bei der Arbeit an dieser Aktivität diese Fragen.

Stellen Sie die Mischung über Nacht in den Kühlschrank, damit sich die Methylcellulose auflösen kann. Rühren Sie um und lassen Sie die Mischung vor dem Erhitzen auf Raumtemperatur kommen. Bildnachweis: Kathy Ceceri

Nach dem Erhitzen in der Mikrowelle bildet sich ein steifes Gel. Bildnachweis: Kathy Ceceri

Wenn kein Backofen zur Verfügung steht, können Sie eine Kugel in einer Schüssel mit sehr heißem Wasser „pochieren“. Halten Sie die Schaufel lange genug im Wasser, damit sich die Außenseite verfestigt, bevor Sie sie hineinschieben. Bildnachweis: Kathy Ceceri

Belegen Sie Ihr heißes Eis mit Kakao oder Streuseln. Probieren Sie es aus. Bildnachweis: Kathy Ceceri

Wenn Ihr heißes Eis abkühlt, schmilzt es und wird wieder flüssig. Bildnachweis: Kathy Ceceri

Hier sind einige Möglichkeiten, den Prozess der Wassergewinnung und Wiederverwendung weiter zu erforschen:

Geschrieben von Kathy Ceceri. Bearbeitungen von Sandy Roberts. Fotos von Kathy Ceceri. Digitale Produktion von Sandy Roberts.

Kathy Ceceri ist Autor von über einem Dutzend Büchern für Kinder mit praktischen STEAM-Aktivitäten. Sie unterrichtet außerdem bereichernde Workshops in Schulen, Museen, Bibliotheken und außerschulischen Programmen und arbeitet mit Pädagogen und Eltern zusammen, um nach Möglichkeiten zu suchen, das Lernen ansprechender und unterhaltsamer zu gestalten.

Ein neues Material, das von Wissenschaftlern der UT Austin entwickelt wird, kann schnell Liter Wasser aus trockener Wüstenluft absorbieren.

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