I materiali intelligenti facilitano l'estrazione dell'acqua pulita dall'aria

gocce d'acqua su una lastra di vetro LUM3N | Spruzza

Fornire alla popolazione mondiale acqua potabile pulita è una delle grandi sfide ingegneristiche del 21° secolo. In alcuni paesi, più della metà della popolazione non ha accesso all'acqua pulita e nel mondo una persona su tre non ha accesso ai servizi igienici di base per i quali l'acqua è fondamentale.

Questa è una causa significativa di diarrea e di cattive condizioni di salute in generale. Secondo alcune stime, più di 5.000 bambini muoiono ogni giorno a causa di malattie legate alla diarrea. Quindi trovare modi per produrre acqua pulita è un obiettivo importante.

Il problema è che la maggior parte delle tecniche sono proibitive per i paesi poveri. Gli approcci tradizionali come la distillazione, l'osmosi inversa e il riciclaggio delle acque reflue consumano energia e sono costosi. E le tecniche passive che si basano sull'energia solare richiedono materiali esotici e concentratori solari, che sono ingombranti e costosi.

Ma c'è un'altra tecnica che ha il potenziale per cambiare questo calcolo deprimente: la raccolta della rugiada. Ciò comporta l'aria di raffreddamento in modo che il vapore acqueo in essa contenuto si condensi in modo che possa essere raccolto. Questa tecnologia passiva ha un grande potenziale per la raccolta di acqua dolce a causa del fatto che una quantità significativa di vapore acqueo viene immagazzinata nell'atmosfera, affermano Minghao Dong e colleghi della Southeast University di Nanchino, in Cina.

Ciò solleva alcune domande ovvie. Quanta acqua può essere raccolta in questo modo? E qual è il modo migliore per raccoglierlo?

Oggi, Minghao e colleghi calcolano per la prima volta i limiti fondamentali della tecnologia di raccolta della rugiada. Quindi descrivono come un semplice cambiamento alle tecniche convenzionali potrebbe migliorare significativamente l'utilità e la resa.

Prima un po' di background. I raccoglitori di rugiada passivi sono costituiti da un condensatore, un foglio di materiale sottile e piatto che irradia calore nel cielo notturno (i raccoglitori di rugiada generalmente funzionano solo di notte). Il condensatore è isolato da terra in modo che non possa assorbire il calore dal basso.

Poiché il condensatore irradia energia di notte, la sua temperatura diminuisce, raffreddando l'aria immediatamente adiacente. Se la temperatura dell'aria scende al di sotto del punto di rugiada (la temperatura alla quale l'aria è satura di vapore acqueo), il vapore si condensa.

Naturalmente, l'efficienza di questo processo è sensibile a un'ampia gamma di fattori, in particolare la temperatura ambiente dell'aria, la sua umidità relativa e la velocità con cui il condensatore può irradiare calore.

Nel corso degli anni, i fisici hanno calcolato quanta acqua può produrre un tale dispositivo quando il condensatore è un corpo nero perfettamente radiante. Ma Minghao e colleghi affermano che tutte queste analisi mancano di un punto ovvio: non tengono adeguatamente conto del modo in cui i materiali reali emettono calore o del modo in cui l'atmosfera terrestre trasmette alcune lunghezze d'onda della luce in modo più efficiente di altre.

Di conseguenza, i limiti fondamentali di questa tecnica non sono stati adeguatamente chiariti, rendendo difficile valutare le prestazioni degli esperimenti e determinare se questa tecnologia sia applicabile o meno in varie condizioni, in particolare in aree relativamente aride, affermano.

Quindi hanno incluso questi fattori per la prima volta. Ciò ha permesso loro di valutare le prestazioni dei diversi materiali.

Il loro metodo è semplice. Minghao e colleghi sottolineano che le lunghezze d'onda alle quali l'atmosfera terrestre è più trasparente sono ben note. Dicono che abbia senso usare un condensatore che emetta a queste frequenze piuttosto che uno che emetta su tutte le lunghezze d'onda. Chiamano un tale condensatore un emettitore selettivo e lo confrontano con le prestazioni di un emettitore nero

I risultati sono accattivanti. I ricercatori affermano che la corrispondenza dell'emissività del condensatore con le caratteristiche trasmissive dell'atmosfera rende possibili miglioramenti significativi. Ad esempio, a una temperatura ambiente di 20 °C (68 °F) con un'umidità relativa del 40%, un emettitore nero non può raccogliere acqua in alcun modo. Al contrario, l'emettitore selettivo potrebbe [raccogliere la rugiada alla velocità di] 13 grammi per metro quadrato all'ora, dicono.

Questa è una scoperta significativa. È la differenza tra poter raccogliere la rugiada di notte in un luogo come il deserto del Mojave e non avere acqua.

I ricercatori hanno progettato un condensatore con le caratteristiche di emissione di energia richieste. Il loro design è costituito da strati sottili di tre diversi materiali su una base in alluminio. Questa struttura a strati emette meglio alle lunghezze d'onda in cui l'atmosfera è più trasparente.

Questo è un lavoro interessante con il potenziale per un'ampia applicazione. Minghao e colleghi affermano che la raccolta della rugiada potrebbe essere utile sia nelle zone umide che in quelle secche: le prime includono isole e città costiere circondate da acqua di mare non potabile, mentre le seconde includono deserti privi di qualsiasi forma di acqua potabile.

E anche il basso costo di questo tipo di design passivo è importante. Questa tecnologia passiva di raccolta dell'acqua dolce integrerebbe le tecnologie esistenti, specialmente nelle aree rurali ea basso reddito dove il costo è una grande preoccupazione, dicono.

Se può portare acqua potabile pulita anche a una piccola parte di coloro che attualmente ne sono privi, sarà un guadagno significativo per l'umanità.

Almeno una startup, Acqua a massa zero , sta già cercando di commercializzare un dispositivo simile in grado di attingere acqua dall'aria mentre altri scienziati stanno continuando a spingere le loro capacità, inclusa una collaborazione tra ricercatori dell'Università della California, Berkeley e del MIT (vedi Come estrarre l'acqua dal nulla , anche nelle parti più aride del globo).

Rif: arxiv.org/abs/1909.05757 : Limiti fondamentali della tecnologia di raccolta della rugiada

nascondere