La scarsità di acqua dolce colpisce oltre due miliardi di persone nel mondo, principalmente nelle regioni aride e remote, così come nelle isole e nelle zone costiere prive di fonti di acqua dolce. Il cambiamento climatico e la crescita della popolazione stanno solo peggiorando il problema e i metodi esistenti richiedono un apporto di energia, solitamente elettrica.
L’energia rinnovabile può risolvere questo problema ed è necessaria per queste regioni per l’acqua potabile e l’irrigazione, utilizzando l’acqua estratta dall’atmosfera. Si stima che l’atmosfera contenga circa 13 trilioni di tonnellate di acqua, sei volte l’acqua dolce nei fiumi del mondo; il riscaldamento globale consente all’aria di contenere più vapore acqueo, di un teorico 7% per grado Celsius di riscaldamento.
Ora ingegneri e scienziati dell’Arabia Saudita e della Cina hanno creato un sistema che utilizza l’energia solare per estrarre fino a 3 litri di acqua per metro quadrato al giorno dall’aria, in modo puramente passivo, che non richiede manutenzione o operatori umani. Lo studio è pubblicato sulla rivista Nature Communications.
Il sistema è stato testato utilizzando l’acqua raccolta per coltivare con successo cavoli durante due stagioni a Thuwal, in Arabia Saudita. “Puntiamo a implementare questa tecnologia per produrre acqua dall’aria per compensare il fabbisogno idrico per un’agricoltura sostenibile necessaria per una produzione alimentare sicura in Medio Oriente”, ha affermato Yu Han, coautore della South China University of Technology.
I sistemi SAWE
Gli attuali sistemi di estrazione dell’acqua atmosferica alimentati a energia solare (SAWE) in genere si basano sull’assorbimento del vapore acqueo dall’aria. Quando il materiale assorbente raggiunge la saturazione, il sistema viene sigillato ed esposto alla luce solare e inizia il rilascio dell’acqua catturata. Rappresentano un miglioramento rispetto alle tecnologie passive dell’acqua atmosferica come la raccolta di nebbia e rugiada, e sono più disponibili in altre aree geografiche e siti con vincoli climatici.
Tuttavia, tali sistemi SAWE consentono solo un ciclo di assorbimento-rilascio al giorno, catturando l’umidità di notte e desorbendola durante il giorno, con la fase di assorbimento lento che limita la quantità di acqua che può essere estratta. La loro adozione diffusa è inoltre limitata da costosi nanomateriali assorbenti, difficoltà nell’aumento di scala dei prototipi, mentre i cicli di commutazione richiedono un sistema attivo che è soggetto a guasti o un’operazione laboriosa con parti mobili, rendendo i sistemi complessi e ad alta intensità energetica.
Un sistema passivo, rinnovabile e più efficiente
Per progettare un sistema passivo, efficiente, facilmente scalabile e con manodopera minima, il gruppo ha utilizzato una struttura di più microcanali verticali, chiamati ponti di trasporto di massa. I tubi, posizionati in un contenitore, sono riempiti con una soluzione salina liquida che funge da assorbitore di liquidi; hanno utilizzato cloruro di litio.
A seconda della distribuzione della temperatura, la regione della temperatura ambiente, esposta all’ambiente, cattura continuamente l’acqua atmosferica e la immagazzina in un contenitore. Quando il sistema riceve la luce solare, l’assorbitore converte la luce in calore e genera vapore acqueo concentrato nella regione ad alta temperatura.
Il vapore acqueo si condensa sulla parete della camera, producendo acqua dolce. Un’altra quantità di acqua catturata dal contenitore dell’assorbitore si sposta ininterrottamente nella regione ad alta temperatura. Allo stesso tempo, il liquido concentrato nella regione ad alta temperatura viene trasportato di nuovo nella regione a temperatura ambiente tramite diffusione, ovvero il movimento delle molecole da una regione ad alta concentrazione ad una a bassa concentrazione, e tramite convezione, ovvero il movimento della soluzione più calda e a densità inferiore attraverso le regioni più fredde e dense, consentendo la cattura continua del vapore acqueo finché è disponibile la luce solare.
Per implementare questo sistema, il team ha creato un assorbitore solare con nanotubi di carbonio parzialmente ossidati su una membrana in fibra di vetro. Il nero dei nanotubi di carbonio e le microstrutture che intrappolano la luce hanno assorbito circa il 96% della luce solare quando erano bagnati. I ricercatori hanno scoperto che le altezze ottimali per la zona di generazione del vapore e la zona di cattura dell’acqua atmosferica erano rispettivamente di 3 e 5cm.
Il test in Arabia Saudita
Per testare questa configurazione in un periodo di produzione di otto giorni, hanno utilizzato otto ore di illuminazione equivalente a quella del Sole seguite da 16 ore di oscurità. Hanno scoperto che, con l’aumento dell’umidità relativa dal 60% al 90%, il tasso di produzione di acqua è aumentato da circa 0,04 a circa 0,65 chilogrammi per metro quadrato all’ora.
Come test pratico sul campo in Arabia Saudita, l’area di evaporazione è stata aumentata a 13,5cm per 24cm, 36 volte più grande del prototipo. Questa configurazione ha prodotto 2,9 litri per metro quadrato al giorno, variando in base all’energia solare ricevuta e all’umidità relativa. Questa quantità è quattro volte più grande di un progetto di acqua atmosferica del 2021 e 27 volte superiore a un SAWE del 2017.
In un test in Papua Nuova Guinea, questa quantità è aumentata a 4,6 litri per metro quadrato al giorno. “Sorprendentemente, l’acqua raccolta è stata utilizzata con successo per l’irrigazione off-grid di Brassica rapa (cavolo cinese)”, ha affermato il coautore Qiaoqiang Gan della King Abdullah University of Science and Technology in Arabia Saudita, “dimostrando il potenziale per un’orticoltura senza manutenzione in aree senza accesso a fonti di acqua liquida”.
