Minghao Dong e colleghi della Southeast University di Nanchino, in Cina, hanno proposto una nuova versione della raccolta della rugiada, una tecnologia passiva a basso costo, che potrebbe essere utilizzata in luoghi dove non è mai stato possibile prima.
di ArXiv
Fornire alla popolazione mondiale acqua potabile è una delle grandi sfide ingegneristiche del XXI secolo. In alcuni paesi, oltre la metà della popolazione non ha accesso all’acqua pulita e nel mondo una persona su tre non usufruisce dei servizi igienico-sanitari di base per i quali l’acqua è fondamentale.
Questa carenza è una causa significativa di diarrea e più in generale di malattie. Secondo alcune stime, oltre 5.000 bambini muoiono ogni giorno a causa di malattie correlate alla diarrea. Quindi trovare modi per produrre acqua pulita è un obiettivo importante.
Il problema è che la maggior parte delle tecnologie sono proibitive per i paesi poveri. Approcci tradizionali come la distillazione, l’osmosi inversa e il riciclaggio delle acque reflue sono dispendiosi in termini di energia e di costi. E le tecniche passive che si basano sull’energia solare richiedono materiali esotici e concentratori solari, che sono ingombranti e richiedono investimenti.
Ma c’è un’altra tecnologia che ha il potenziale per cambiare una realtà così deprimente: la raccolta della rugiada. “Questa tecnologia passiva, che prevede di condensare il vapore acqueo in modo da raccoglierlo, ha un grande potenziale per la raccolta di acqua dolce perchè una quantità significativa di vapore acqueo è immagazzinata nell’atmosfera”, affermano Minghao Dong e colleghi della Southeast University di Nanchino, in Cina.
Ciò solleva alcune ovvie domande. Quanta acqua può essere raccolta in questo modo? E qual è il sistema migliore per raccoglierla?
Minghao e colleghi sono i primi a valutare i limiti della attuale tecnologia di raccolta della rugiada e propongono una semplice modifica alle tecniche convenzionali per migliorarne significativamente l’utilità e la resa.
Fino a oggi, la raccolta passiva di rugiada è stata effettuata con un “condensatore”, un sottile foglio piatto di materiale che irradia calore nel cielo notturno (questo tipo di raccoglitori di rugiada funzionano generalmente solo di notte).
Il condensatore, isolato da terra in modo che non possa assorbire il calore dal basso, irradia energia durante la notte e la sua temperatura diminuisce, raffreddando l’aria immediatamente adiacente ad essa. 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 una vasta 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 un tale dispositivo può produrre quando il condensatore è un corpo nero perfettamente irradiante. Ma Minghao e i colleghi affermano che tutte queste analisi non spiegano correttamente come i materiali reali emettono calore o il modo in cui l’atmosfera terrestre trasmette alcune lunghezze d’onda della luce in modo più efficiente di altre.
“Di conseguenza”, spiegano i ricercatori, “i limiti fondamentali di questa tecnologia non sono stati adeguatamente chiariti, rendendo difficile valutare le prestazioni degli esperimenti e determinare se è applicabile in varie condizioni, in particolare in aree relativamente aride”.
Per queste ragioni Minghao e colleghi hanno preso in considerazione i nuovi fattori da loro menzionati per valutare le prestazioni dei diversi materiali.
Il loro metodo è semplice. Dato che le lunghezze d’onda in cui l’atmosfera terrestre è più trasparente sono ben note, ha più senso utilizzare un condensatore che emette a queste frequenze invece di uno che opera su tutte le lunghezze d’onda. I ricercatori hanno definito questo tipo di condensatore un emettitore selettivo e lo hanno confrontato con le prestazioni di un emettitore nero.
I risultati sono decisamente interessanti. I ricercatori affermano che la corrispondenza dell’emissività del condensatore con le caratteristiche trasmissive dell’atmosfera rende possibili miglioramenti significativi. Per esempio, a una temperatura ambiente di 20° C con un’umidità relativa del 40 per cento, un emettitore nero non può raccogliere acqua in alcun modo. “Al contrario”, dicono i ricercatori, “l’emettitore selettivo è in grado di raccogliere la rugiada al ritmo di 13 grammi per metro quadrato all’ora”.
Si tratta di una scoperta significativa. È la differenza tra riuscire a raccogliere la rugiada di notte in un posto come il deserto del Mojave e non avere affatto acqua.
I ricercatori hanno progettato un condensatore con le caratteristiche di emissione di energia richieste. Il loro design è costituito da sottili strati di tre materiali diversi su una base di alluminio. Questa struttura a strati emette meglio alle lunghezze d’onda in cui l’atmosfera è più trasparente.
Minghao e colleghi affermano che la raccolta della rugiada potrebbe essere utile sia in aree umide che asciutte: “La prima comprende isole e città costiere circondate da acqua di mare che non è potabile, mentre la seconda include deserti privi di qualsiasi forma di acqua potabile”.
E anche il basso costo di questo tipo di design passivo è importante. “Questa tecnologia passiva per la raccolta di acqua dolce completerebbe le tecnologie esistenti, in particolare nelle aree rurali e a basso reddito dove i costi rappresentano una grande preoccupazione”, essi spiegano.
Se può portare acqua potabile pulita anche a una piccola parte di chi non ne ha, sarà un guadagno significativo per l’umanità.
Almeno una startup, Zero Mass Water, sta già cercando di commercializzare un dispositivo simile in grado di attingere acqua dall’aria mentre altri scienziati, tra cui una collaborazione tra ricercatori dell’Università della California, Berkeley e MITstanno continuando ad approfondire il campo di studi.
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