Angesichts des langjährigen Wassernotstands seines Landes wendete sich der iranische Präsident vergangenes Jahr an die Twittergemeinde: "Wir brauchen ein Konzept, um Wasser in der Landwirtschaft einzusparen, übermäßigen Leitungswassergebrauch zu vermeiden, unterirdische Wasserquellen zu schonen und illegale Bohrungen zu verhindern", twitterte Hassan Rohani im November.

Der Iran steht mit diesem Problem keineswegs allein dar. Vom Südwesten der Vereinigten Staaten über den Süden Spaniens bis hin zu Nordchina sind viele Teile der Erde von Wasserknappheit bedroht. Fast 800 Millionen Menschen haben keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser und 2,5 Milliarden keine ausreichenden sanitären Einrichtungen.

In den kommenden Jahrzehnten wird sich die Situation wahrscheinlich noch verschlechtern. Die Weltbevölkerung wird voraussichtlich von derzeit sieben Milliarden auf mehr als neun Milliarden im Jahr 2050 anwachsen, während der Klimawandel vielen trockenen Landstrichen des Planeten den Niederschlag nimmt. Erwärmt sich die Erde bis zum Ende des Jahrhunderts um nur zwei Grad über das heutige Niveau – was Wissenschaftler für äußerst wahrscheinlich halten –, könnte bis zu einem Fünftel der Weltbevölkerung unter einem erheblichen Mangel an Trinkwasser leiden.

"Neue Ansätze sind künftig von entscheidender Bedeutung"

"Auch ohne weltweite Umweltveränderungen bräuchte man zusätzlich 2000 bis 3000 Kubikkilometer an Wasser in der Landwirtschaft, um bis 2050 neun Milliarden Menschen zu ernähren – mehr als der gesamte globale Wasserverbrauch in der künstlichen Bewässerung", sagt Johan Rockström von der Universität Stockholm. "Dazu bedarf es nicht weniger als einer neuen landwirtschaftlichen Revolution. Neue Ansätze, wie beispielsweise Verfahren zum 'Water-Harvesting', sind künftig von entscheidender Bedeutung", so der Spezialist für Wasserressourcen und Direktor des Stockholm Resilience Centre.

Um an mehr Süßwasser zu gelangen, zapfen die meisten Länder unterirdische Grundwasserleiter an. Diese liefern bereits den Großteil des Süßwassers für die Weltbevölkerung. Einige experimentieren mit aufbereitetem Abwasser für landwirtschaftliche und weitere Einsatzzwecke. Viele Staaten wollen jedoch unkonventionelle Quellen erschließen – von Nebel bis zu den Ozeanen –, um ihren Durst zu stillen. Einige Ansätze gehen mit Geschäften in Milliardenhöhe einher; bei anderen handelt es sich um lokale Projekte, die nur wenig oder keine kostspielige Technik erfordern. Wie sich Trinkwasser aus unkonventionellen Quellen gewinnen lässt, zeigen die folgenden fünf Bespiele.

Entsalzung hat ihren Preis

Wie alle Mittelmeerländer verzeichnet auch Israel den meisten Niederschlag während der Wintermonate. Doch im vergangenen Winter fiel kaum Regen. In der Vergangenheit hätte eine solche Dürre die 8,2 Millionen Bewohner des Landes vor ernste Probleme gestellt. Dank der Meerwasserentsalzungsanlagen, die Israel in den vergangenen zehn Jahren aufgebaut hat, versiegten die Wasserhähne des Landes jedoch nicht.

Israels vier große "Umkehrosmose-Anlagen" zählen zu den größten und leistungsfähigsten Entsalzungsanlagen der Welt. Im kommenden Jahr werden sie voraussichtlich mehr als 500 Millionen Kubikmeter an Süßwasser pro Jahr bereitstellen – und damit etwa die Hälfte des Bedarfs in Israel. Das Unternehmen hinter drei der bestehenden israelischen Anlagen, IDE Technologies in Kadima, unterzeichnete 2012 einen Vertrag über den Entwurf einer ein Milliarden US-Dollar teuren Entsalzungsanlage nahe Carlsbad, Kalifornien. Nach der Fertigstellung 2016 soll die Anlage rund ein Zehntel der 3,2 Millionen Menschen in San Diego County mit Süßwasser versorgen.

"Die Meerwasserentsalzung ist kein kurzfristiger Trend und wird zwangsläufig zunehmen"

"Fast die Hälfte der Weltbevölkerung lebt weniger als 100 Kilometer von der Küste entfernt, da kommt man um die Entsalzung einfach nicht herum", sagt Gary Amy, Direktor des Zentrums für Wasserentsalzung und Wiederaufbereitung an der König-Abdullah-Universität für Wissenschaft und Technologie (KAUST) in Thuwal, Saudi-Arabien. "Die Meerwasserentsalzung ist kein kurzfristiger Trend und wird zwangsläufig zunehmen."

Allerdings benötigt die Entsalzung – unabhängig von der jeweiligen Methode – deutlich mehr Energie als herkömmliche Wasserquellen. Selbst in den effizientesten kommerziellen Umkehrosmose-Entsalzungsanlagen verbraucht man etwas mehr als drei Kilowattstunden (kWh) an Energie, um einen Kubikmeter an Trinkwasser zu erzeugen. Hierbei wird vorgefiltertes Meerwasser unter Druck durch eine Reihe von halbdurchlässigen Membranen gepresst. In thermischen Anlagen verdunstet das Meerwasser dagegen, was für die gleiche Menge an Trinkwasser rund zehn Kilowattstunden kostet. Manche Staaten mit reichen Erdölvorkommen stören sich nicht an dem hohen Preis: Saudi-Arabiens Entsalzungsindustrie verbrennt derzeit beispielsweise rund 300 000 Barrel Öl pro Tag.

Ingenieure versuchen die Umkehrosmose-Technik zu optimieren, indem sie verbesserte Komponenten wie Energie sparende Pumpen und neuartige Membranen verwenden. Einige von ihnen experimentieren mit Membranen aus Graphen und wollen so die momentan verwendeten Polymere ersetzen. Zudem strebt man weltweit an, beim Entsalzungsprozess von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energien umzuschwenken.

Trotz solcher Fortschritte wird die Entsalzung teuer bleiben, sagt Maria Kennedy, Wasseraufbereitungsspezialistin am Institute for Water Education der Vereinten Nationen im niederländischen Delft. "Niemand entscheidet sich für die Entsalzung, wenn er eine andere Wahl hat."

Uferfiltration

Jedes Jahr im Juli und August strömen Millionen von Hindu-Pilgern in die heilige Stadt Haridwar in Indien, um dessen Tempel zu besuchen und im Ganges ein Bad zu nehmen. Mit diesem alljährlichen Zustrom von Menschen sind die Grundwasserleiter, die Süßwasser in die Stadt bringen, überfordert – es wird eine weitere Wasserquelle benötigt. Eine Lösung bieten die Ufer des Ganges.

In Deutschland nutzt man bereits seit den 1870er Jahren die Flussufer entlang des Rheins, um Wasser zu filtern. Die Methode ist einfach: Errichtet man in Regionen mit geeigneter Geologie einen Brunnen direkt neben einem Fluss, filtern Sand und Kies die meisten chemischen und biologischen Schadstoffe aus dem Süßwasser und machen es so relativ sauber.

"Das behandelte Wasser erfüllt vielleicht nicht immer die Anforderungen an die Wasserqualität", so Saroj Sharma vom Wasserinstitut der Vereinten Nationen. Doch ist der Fluss relativ sauber und sind die geologischen Bedingungen günstig, wie in Haridwar, bedarf es eventuell nur einer geringen Menge an Desinfektionsmitteln, erläutert der Umweltingenieur.

Indien wird solche natürlichen Wasseraufbereitungssysteme vermehrt nutzen müssen. Derzeit stammt das Wasser für die Haushalte im Land zu 85 Prozent aus Grundwasser, doch die Vorräte schrumpfen stark: Laut der Weltbank werden in 20 Jahren etwa 60 Prozent aller indischen Grundwasserleiter ein kritisches Niveau erreicht haben.

Im Rahmen des 6,5 Millionen Dollar teuren und von der Europäischen Union finanzierten Saph-Pani-Projekts suchen Wissenschaftler an neun Standorten im Land bereits nach Wegen, um die Effizienz von natürlichen Wasserfiltrations- und Wiederaufbereitungstechniken in Indien zu erhöhen. Die Studien reichen von Uferfiltration in Haridwar bis zur Abwasserbehandlung in künstlichen Feuchtgebieten in Hyderabad.

Antike Technologie

Die Region Tigray im Norden Äthiopiens ist sehr trocken, was immer wieder zu Hungersnöten führt. Dank einer uralten Technik haben die Dorfbewohner von Koraro nun jedoch keine Wasserknappheit mehr zu befürchten.

Upmanu Lall, Leiter des Water Centre der Columbia University in New York City, brachte die Idee nach Koraro – im Zuge des Millennium Villages Project, das Armut und Hunger beispielhaft in 80 afrikanischen Dörfern bekämpfen will. Lall ließ sich von so genannten Qanaten inspirieren, als er nach Wegen suchte, die Dörfer mit Wasser zu versorgen. Diese ausgeklügelten Tunnelsysteme wurden vor mehr als 2000 Jahren von persischen Ingenieuren erfunden und befördern Grundwasser aus hoch gelegenen Gebieten zu trockenen Tälern und Ebenen; im Iran und in Teilen der Arabischen Halbinsel befinden sich einige dieser antiken Systeme noch heute im Einsatz. Ingenieurstudenten von Lall begannen 2009 mit dem Entwurf eines modernen Qanatsystems in Koraro, wobei die Ceil and Michael E. Pulitzer Foundation 250 000 Dollar beisteuerte.

Das Dorf und die umliegenden Felder befinden sich auf einem sandigen Hang, nur wenige Kilometer von den steilen Felswänden eines Bergs entfernt. In der Region fällt nur wenig Regen, abgesehen von Juli und August: In diesen Monaten waschen flutartige Überschwemmungen den Boden stark aus. Früher sammelten Dorfbewohner das Regenwasser in Tanks, doch ein Großteil dieses Wassers verdampfte schnell, und der Rest war oft verunreinigt.

Um diese Probleme zu umgehen, entwickelten die Studenten der Columbia University zusammen mit äthiopischen Ingenieuren und Dorfbewohnern ein System aus kleinen Steindämmen am Berggipfel. Auf diese Weise soll der Oberflächenabfluss kontrolliert werden und das Regenwasser in den Untergrund versickern können.

Das Wasser fließt durch den Berg hinab in einen drei Meter breiten und drei Meter tiefen Graben, der sich vom Fuß des Bergs den Hang hinunter bis ins vier Kilometer entfernte Dorf erstreckt. Das unterirdische System kann 36 000 Kubikmeter Wasser aufnehmen und wird seit drei Jahren genutzt. Der Graben füllt das Grundwasser rund um Koraro wieder auf und versorgt die Dorfbewohner so mit Wasser zum Trinken und für die Landwirtschaft. Dadurch konnten die Dorfbewohner sogar eine zusätzliche Pflanzsaison einführen und ihre Felder auch in trockenen Phasen während der Regenzeit bewässern.

"Genau wie die Baumeister der antiken persischen Qanate haben wir einen Grundwasserleiter erschaffen, wo es vorher keinen gab", berichtet Lall. "Das von uns geförderte Wasser wird durch den Sand gefiltert und ist von reiner Trinkqualität."

"Häufig wird Wasserknappheit eher durch unregelmäßige Niederschläge als durch einen tatsächlichen Mangel an Wasser verursacht", sagt Alberto Montanari, Hydrologe an der Universität Bologna in Italien. "Die Herausforderung besteht also darin, nachhaltige Lösungen für die Wasserspeicherung zu erarbeiten und so einen Vorrat für die Trockenzeit anzulegen. Das Koraro-Projekt ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie dies gelingen kann."

Der Erfolg des Qanats sprach sich herum, und inzwischen planen auch andere Gemeinden in Tigray, ähnliche Techniken einzuführen. Die Methode, sagt Lall, ließe sich in vielen Regionen mit geeigneter Topografie und Hydrologie umsetzen, darunter ein Großteil des semiariden Hochlands in Afrika. Lall hat aber nicht nur Afrika im Blick: Er ist in Gesprächen mit dem Bundesstaat Jharkhand im Nordosten Indiens und will auch dort ein Qanatsystem aufbauen.

Grüne Oasen in der Wüste

Die Landwirtschaft verbraucht mehr als zwei Drittel des Frischwassers auf der Erde. Eine Anbaumethode, die mehr Wasser und Energie erzeugt, als sie verbraucht, scheint da zu schön, um wahr zu sein. Doch in der Wüste von Katar lassen Wissenschaftler in einem autarken Kreislauf aus Salzwasser und Sonnenlicht nicht nur Lebensmittel, sondern auch sauberes Wasser entstehen.

Betrieben wird die 8,5 Millionen Dollar teure Pilotanlage außerhalb von Doha vom Sahara Forest Project (SFP). Finanziell unterstützt wird das 2009 gegründete norwegische Unternehmen von den Düngemittelherstellern Yara in Oslo sowie der Qatar Fertilizer Company in Mesaieed. Laut SFP erntete man in dem 700 Quadratmeter großen Gewächshaus im vergangenen Jahr ähnlich viel Gemüse wie in kommerziellen Treibhäusern in Europa.

Normalerweise schließen Gewächshäuser die Wärme ein, in so heißen Gegenden wie Katar ist jedoch das Gegenteil nötig. SFP leitet dazu Meerwasser vom rund 100 Meter entfernten Ozean zum Treibhaus und lässt es dort über ein Gitter an der windzugewandten Seite tröpfeln. Wenn das Wasser verdunstet, befeuchtet es die Luft, die in das Gewächshaus strömt, und kühlt sie um rund zehn Grad Celsius ab. Das Innenklima eignet sich damit für den Anbau von Gemüse wie Gurken und Tomaten. Andere Kulturen wie Gerste, Rukola und nützliche Wüstenpflanzen wachsen zwischen Hecken an der windabgewandten Seite des Gewächshauses.

Kühlt die Wüste in der Nacht ab, kondensiert Wasser an den Innenflächen des Gewächshauses und wird für die Bewässerung und als Trinkwasser gesammelt. Zusätzliches Süßwasser erzeugt eine Entsalzungsanlage auf dem Gelände. Und den Strom für die gesamte Anlage liefert Solarenergie.

Das Konzept ließe sich auch auf größeren Flächen anwenden, meint Joakim Hauge, Geschäftsführer des SFP in Oslo, und so könne man in Wüstengebieten grüne Oasen erschaffen, wo Ackerbau sonst unmöglich wäre. "Mit Treibhäusern auf einer Fläche von 60 Hektar könnten wir den jährlichen Import von Gurken, Tomaten, Paprika und Auberginen nach Katar selbst erzeugen", sagt Hauge.

Das Unternehmen arbeitet mit der Regierung von Jordanien zusammen, um in Akaba eine 20 Hektar große Pilotanlage zu bauen. Neben kommerziellen Treibhäusern soll es hier auch ein Forschungs- und Innovationszentrum geben. Eine größere kommerzielle Anlage wäre laut Hauge in der Lage, überschüssigen Strom zu produzieren und ins Netz einzuspeisen.

Dieser Ansatz dürfte an jedem trockenen und sonnigen Standort funktionieren, solange dieser in Höhe des Meeresspiegels liegt – denn nur so halten sich die Kosten für das Pumpen des Wassers im Rahmen. Dennoch blieben Salzwassertreibhäuser vorerst ein Experiment, sagt Nina Fedoroff vom KAUST. "Das Konzept ist interessant", erläutert die Leiterin des Zentrums für Wüstenlandwirtschaft. "Dennoch handelt es sich um eine eher kostenintensive Methode zur Lebensmittelproduktion, der möglicherweise kein allzu großer kommerzieller Erfolg beschieden sein wird."

Wasser aus Nebel

Seit jeher mussten die Frauen in dem kleinen Bergdorf Tojquia in Guatemala während der trockenen Wintermonate in die Talsohle hinabwandern und Wasser von dort wieder bergauf zu ihren Familien tragen. Inzwischen beschaffen sie ihr Wasser auf andere Weise: Sie ziehen die Feuchtigkeit aus dem Nebel, der ihre Gemeinde oft einhüllt.

Ein Kubikmeter Nebel kann ein halbes Gramm an flüssigem Wasser enthalten, und es braucht nicht viel, dieses kostbare Nass zu "ernten". Ein feinmaschiges Netz wird in einen großen Rahmen gespannt und senkrecht zur Windrichtung aufgestellt. Weht nun feuchte Luft durch einen solchen Nebelkollektor, lagern sich an den Fasern winzige Wassertröpfchen an. Die einzelnen Tropfen verschmelzen miteinander und wachsen an, bis sie hinab in eine Rinne an der Unterseite des Gestells rollen und schließlich in einen Lagertank.

Tojquia liegt 3300 Meter über dem Meeresspiegel, wo es im Winter windig und trocken, aber oft neblig ist – ein idealer Ort für diese Technik. Mit Hilfe von Forschern des gemeinnützigen Projekts FogQuest aus dem kanadischen Kamloops haben die Bewohner von Tojquia seit 2006 insgesamt 35 Nebelkollektoren aufgestellt. Diese liefern pro Tag durchschnittlich 6300 Liter an Trinkwasser, was in der Trockenzeit für etwa 30 Familien reicht. In der Regenzeit ist die Ausbeute deutlich höher, da auch Regenwasser in den Lagertanks gesammelt wird.

Nebelkollektoren setzen sich in saisonal trockenen Regionen durch, in denen es keine anderen Frischwasserquellen gibt. Das erste solche Netz wurde in den 1960er Jahren in der Hafenstadt Antofagasta im Norden Chiles aufgespannt. Heute nutzen Menschen in 35 Ländern diese Technik, vor allem entlang der Pazifikküste von Süd- und Mittelamerika, im Atlasgebirge in Marokko und auf den Hochebenen von Eritrea und Nepal.

"Das Potenzial, ländliche Gebiete ein ganzes Jahr mit wertvollem Frischwasser zu versorgen"

Neuartige Materialien für die Netze könnten die Erträge weiter steigern, wie beispielsweise die von Wissenschaftlern des Massachusetts Institute of Technology in Cambridge entwickelten durchlässigen Fasern; diese fangen den Nebel fünfmal effektiver ein als herkömmliche Netze, wie Tests in Chile zeigen. Und in der Namib-Wüste in Namibia sammeln dreidimensionale Netze, entwickelt am Institut für Textil- und Verfahrenstechnik in Denkendorf, bis zu dreimal größere Wassermengen als gewöhnliche Netze.

Selbst mit solchen Erträgen lässt sich die Wasserknappheit weder in Chile noch in einem anderen Land mit Hilfe von Nebelkollektoren lösen. Dennoch können sie eine einfache und nachhaltige Methode zur Frischwassererzeugung in semiariden Regionen bieten, denen es an alternativen Optionen mangelt, sagt Otto Klemm von der Universität Münster.

"Wenn die klimatischen Bedingungen stimmen – und, was noch wichtiger ist, wenn die lokale Bevölkerung geschult wird, diese Anlagen eigenständig zu betreiben", erklärt der Klimatologe, "hat es das Potenzial, ländliche Gebiete das ganze Jahr über mit wertvollem Süßwasser zu versorgen."