Drinkwater winnen uit woestijnlucht, deze Nobelprijswinnaar gelooft dat het kan

Drinkwater maken uit het niets. Liters en liters schoon drinkwater – het allerschoonste drinkwater dat er bestaat – zo uit de lucht gehaald, ook midden in een kurkdroge woestijn. En het kan zonder alchemie, magie, wensdenken, manifesteren of andere kwakzalverij. „Wetenschap heeft de kracht om van droogte overvloed te maken, en van een kind dat in schaarste is opgegroeid een Nobelprijswinnaar.”

Omar Yaghi heeft het over zichzelf. Hij is geboren in Jordanië in 1965 en belandde op zijn vijftiende in de Verenigde Staten, waar hij wist op te klimmen tot hoogleraar aan de Universiteit van Californië in Berkeley. Vorig jaar ontving hij samen met Susumu Kitagawa en Richard Robson de Nobelprijs voor Scheikunde, voor de verdere ontwikkeling van MOF’s: metaal-organische raamwerken. Zijn bedrijf Atoco is in de tweede helft van dit jaar klaar voor de eerste orders van hun wateroogsters: een systeem dat er een beetje uitziet als een zeecontainer en zo’n duizend liter schoon drinkwater per dag uit de lucht kan halen. Yaghi laat via een videoverbinding vanuit Berkeley een filmpje zien van een prototype dat ook nog zo groot is als een container. De uiteindelijke versies worden wat kleiner, legt uit hij uit, maar het werkt: een van de medewerkers van Atoco vangt met een beker kraakhelder water op dat uit een buisje uit het apparaat druppelt. Yaghi, twee keer achter elkaar: „Dat is water uit de lucht!”

Een MOF is een nieuw poreus materiaal, dat bestaat uit metaalatomen die aan elkaar verbonden zijn door organische moleculen. Die vormen driedimensionale, hoekige structuren, waarbinnen ruimtes ontstaan. Sponsjes, met miljarden gaatjes waarin moleculen te vangen zijn. „Je moet het zien als een visnet”, zegt Yaghi. „En dat visnet kun je in allerlei soorten en vormen maken, waarbij je de ruimte in het materiaal helemaal naar eigen wens kunt aanpassen. Die ruimte die je binnenin hebt is heel erg groot. Eén gram van dit materiaal heeft binnenin een opgetelde oppervlakte van een voetbalveld.”

Als je de wanden van die ruimtes zo aanpast dat de ene kant hydrofiel is en de andere kant hydrofoob, kun je er H₂O mee vangen, zo uit de lucht. „Door het aan de ene kant aantrekken en aan de andere kant afstoten van moleculen, kun je controleren hoe sterk het water wordt vastgehouden, en daarmee hoe laag de temperatuur moet zijn om het water weer los te laten. We bouwen met dit materiaal een systeem dat duizend liter drinkwater per dag kan oogsten, elke dag, zeker zes of zeven jaar lang. En het water is ook nog eens ultraschoon. Sterker nog, het is het schoonste water dat er ooit is geweest, omdat er geen enkel ander molecuul dan water wordt gevangen in de poriën van de MOF.” Helemaal puur water is overigens niet lekker, en zelfs niet helemaal veilig: het gebrek aan mineralen kan ervoor zorgen dat het mineralen uit je lichaam trekt. En dus voegen ze mineralen toe voor consumptie.

Lees ook

Nobelprijswinnaars creëerden grote ruimtes om moleculen in te vangen

Waar het materiaal precies van worden gemaakt, houdt Atoco onder de pet, legt een woordvoerder uit: „Wij gebruiken geen bestaande MOF’s, maar ontwikkelen ze zelf – dat is de kern van ons bedrijf dus over de compositie kunnen we niets over zeggen.” Yaghi legt uit dat het materiaal net als een bouwwerk van Lego precies af te stemmen is op de gewenste eigenschappen, op moleculair niveau. Moeten de poriën, de ruimtes in het raster, groot of klein zijn, welke soort stof moeten ze vangen en hoe moeten die worden losgelaten, en onder welke omstandigheden? Dat is een kwestie van de juiste metaalionen op de hoeken gebruiken en de ribben van organische moleculen ook precies te selecteren. Yaghi: „Er zijn wel andere materialen die goed water opnemen, maar die houden het zo stevig vast dat je het moet verwarmen tot 200, 300 graden. Dat kost veel energie. Een MOF neemt niet alleen water op bij heel lage luchtvochtigheid, maar laat het ook los bij een relatief lage temperatuur, zeg 45 graden.”

Dat zorgt ervoor dat de watermoleculen ’s nachts kunnen worden opgevangen, om overdag in de zon weer losgelaten te worden, zonder dat het extra energie kost. „Toen we dat in 2014 voor het eerst zagen dacht ik: wow, dat zijn woestijnomstandigheden. Dan zouden we er water uit de lucht mee moeten kunnen halen zonder veel energie te hoeven gebruiken.” Hij kreeg gelijk. In 2023 haalden studenten van Yaghi al eens water uit de lucht in Death Valley, een van de droogste en heetste plekken op aarde.

Nu wordt drinkwater in veel droge gebieden gewonnen door ontzilting, zegt onderzoeker Roberta Hofman-Caris van KWR Water Research. „Zeewater bevat zo’n 35 gram zout per liter, en met ontzilting haal je eigenlijk dat zout niet uit het water, maar het water uit het zout. Het water wordt met hoge druk door membranen geperst, en dat kost zóveel energie.”

Hofman-Caris noemt MOF’s zeer interessant voor het uit de atmosfeer winnen van water, maar ziet ook nog wel obstakels. „De vraag is op welke schaal het kan, en hoe lang je ze dan kunt gebruiken of hergebruiken. Met duizend liter water per dag kun je geen stad voorzien, bij drinkwatervoorziening hebben we het al snel over 1.000 kuub, een miljoen liter, per uur.” De zuiverings­eigenschappen van MOF’s vindt Hofman-Caris misschien wel interessanter: „Het lijkt erg geschikt te zijn om bijvoorbeeld PFAS uit drinkwater te halen, dat is iets waar we zeker naar kijken. Maar ook dan moet er veel van gemaakt worden en moeten ze voldoende stabiel zijn.”

Een proefopstelling van het onderzoeksteam van Yaghi, vlak bij Al-Muzahmiyya in Saoedi-Arabië.

Foto Atoco

Drinkwater is niet zomaar een levensbehoefte, het is de eerste en belangrijkste. Al het bestaan is erop gebaseerd. De oorlogen van de toekomst zullen over water gaan, voorspellen de Verenigde Naties en het Rode Kruis, met termen als ‘water-bankroet’. Nu al heeft een op de vier mensen geen toegang tot schoon en veilig drinkwater, en dan gaat het vooral om mensen in kwetsbare gebieden en landen die zijn (of regelmatig worden) getroffen door natuurrampen of conflict. Maar het RIVM waarschuwt dat ook Nederland het risico loopt op een tekort aan drinkwater in 2030, door verontreiniging en klimaatverandering. „Water is de nieuwe olie”, zei voormalig commandant der strijdkrachten Tom Middendorp enkele jaren geleden.

„Ik denk zeker dat mensen om drinkwater zullen gaan vechten, net zoals om energie op dit moment”, zegt ook Yaghi, die heel goed weet hoe stressvol gebrek aan drinkwater is. Hij is geboren in de Jordaanse hoofdstad Amman, waar zijn ouders terechtkwamen nadat ze uit het Palestijnse Masmiya waren gevlucht, een dorpje tussen Jaffa en Jeruzalem. Ze raakten op drift in 1948, toen Israëlische troepen het innamen en kolonisten zich de huizen toe-eigenden. „We hadden heel weinig. Jordanië was toen, en trouwens nog steeds, een plek waar op veel manieren schaarste heerste. Onze buurt kreeg eens in de week, soms eens per twee weken, een paar uur lang drinkwater van de regering. Iedereen haastte zich om alles wat je kon vinden te vullen met water, ook al druppelde de kraan het soms alleen maar. Daar moest je het dan weer een week mee doen.”

En hij niet alleen, Yaghi kwam uit een gezin van tien kinderen. En ook hun koeien – hun levensonderhoud – die ook te drinken moesten krijgen, woonden bij hen in huis. „We woonden eerst midden tussen alle andere vluchtelingen, maar mensen begonnen te klagen over de stank van onze koeien”, vertelt hij nu met een glimlach. „We trokken naar een locatie waar meer plek was voor ons en de dieren, maar ook die plek vulde zich snel met nieuwe vluchtelingen.”

Verblijfsvergunning voor de VS

Yaghi wist zich uiteindelijk in de Verenigde Staten te vestigen dankzij de green card, een verblijfsvergunning voor de Verenigde Staten, die zijn vader meteen bij aankomst in Amman had aangevraagd. Op het moment dat hij die kreeg had hij al een groot gezin en besloot in Jordanië te blijven. Maar op basis van die green card kon Yaghi het wel gaan proberen.

„Mijn vader had een winkeltje langs de weg tussen ons huis en de school. Als ik naar school ging en ik had nog niks gegeten, maakte mijn vader ontbijt en als ik ’s middags terugkwam, at ik lunch met hem. Op een dag kwam ik onderweg naar huis in zijn winkel, en hij zei: ‘je gaat naar Amerika’. Ik was veertien of vijftien, ik wilde niet en we kregen er ruzie over, maar mijn vader had een sterke wil en ik had geen keuze.”

Twee weken lang stond hij elke dag in de rij bij de Amerikaanse ambassade. Telkens kwam hij niet voor sluitingstijd aan de beurt en moest hij de volgende dag weer vroeger aansluiten, tot hij eindelijk op gesprek mocht komen. Ze vroegen hoeveel spaargeld zijn vader had en of hij dat de volgende dag kon komen brengen, want ze wilden niemand in het land toelaten die niet voor zichzelf kon zorgen.

„Ik zei met mijn grote mond: negenduizend dollar. Al het spaargeld van mijn familie. Prima, zeiden ze op de ambassade, kom morgen dat bedrag maar brengen. Tot mijn opluchting twijfelde mijn vader geen moment en zei: ga naar de bank en regel het. Dat is een van de meest ontroerende momenten van mijn leven, die gulheid en de zorg van mijn vader, dat raakte mij enorm, en nog steeds.”

Yaghi kon terecht op Hudson Valley Community College in New York, waar hij enorm moest wennen. „Ik had wel wat Engels geleerd in Jordanië, maar ze spraken allemaal zo snel en ze gebruikten veel spreektaal. Ik snapte er weinig van. Maar ik keek het nieuws met John Chancellor en ik onderstreepte in de krant elk woord dat ik niet begreep en zocht het op in een woordenboek. En ik keek veel naar de soap As the World Turns.” Hij lacht. „Dat gaf me een heel verkeerd idee van het land. Ik dacht dat heel Amerika zo was.”

Hij voelde zich enorm plichtsbewust tegenover zijn familie, en zodra hij wat geld verdiende stuurde hij het terug naar Jordanië. „Mijn situatie was moeilijk maar dat realiseerde ik me niet zo, omdat falen absoluut geen optie was. Er was geen tijd om te denken aan hoeveel stress ik had, of dat er een mogelijkheid was om even rust te nemen. Ik voel dat trouwens nog steeds. Mijn ouders leven niet meer, maar ik heb nog steeds de drang om iets terug te doen voor het systeem waar ik uit kom.”

Daar past bij wat hij met de MOF’s wil: drinkwater beschikbaar maken voor de mensen die het het meest nodig hebben. Maar dat gaat niet meteen, want gaan de Atoco-units daadwerkelijk in woestijndorpjes staan om er in water te voorzien, of worden ze ingezet na natuurrampen?

Yaghi richt zich in eerste instantie niet op de meest armlastige partijen: datacenters, waar restwarmte gebruikt zal worden om het water te oogsten, en vervolgens het water te gebruiken voor het koelen van die datacentra. Dat heeft iets ongemakkelijks, maar Yaghi ziet het pragmatisch: „Mijn motivatie is absoluut het helpen van de droogste en armste delen van de wereld. Maar dit soort toepassingen zullen helpen de prijs omlaag te krijgen. Hoe meer partijen ze gebruiken, hoe beter ze worden, en hoe goedkoper.”

En dan ligt de horizon ineens ver. Want behalve watermoleculen kun je met kleine aanpassingen nog veel meer vangen met een MOF (of met een verwante COF, een covalent-organisch raamwerk dat geheel organisch is). Het bedrijf van Yaghi is bezig met een toepassing om CO₂ uit de lucht te vangen, en PFAS uit water. „Omdat we het materiaal zo kunnen ontwerpen dat het bepaalde moleculen kan vangen, zijn er vele mogelijkheden. Er zijn ook plannen voor kankertherapie met een MOF, dat is al behoorlijk vergevorderd onderzoek. In zo’n geval worden de moleculen van het medicijn in de poriën van het materiaal gevangen, en zodra het zijn doel bereikt – de kankercellen – breekt het af en laat het ’t medicijn los, heel erg gericht.”

Dat het wetenschappelijke klimaat in de Verenigde Staten momenteel niet al te best is, daar tilt Yaghi niet zo zwaar aan. „Kijk, wetenschap kost veel middelen en die middelen komen uit de samenleving, dus die stelt eisen aan de wetenschap. Wij moeten ons gewoon richten op experimenten en feiten, en de grenzen van kennis blijven opschuiven. De extra druk die is er moet ons motiveren om onze vindingen nog economischer te maken en beter aan te laten sluiten bij de maatschappij. Juist onder druk kun je heel veel doen om de samenleving beter van dienst te zijn.”

Testen in de woestijn bij Al-Muzahmiyya, Saoedi-Arabië.

Foto Atoco