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livello medio
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ARGOMENTO: INNOVAZIONE
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: ACQUA
parole chiave: Sistemi di produzione/estrazione di acqua potabile dall’ambiente e dall’atmosfera
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Sebbene l’attenzione delle superpotenze sia apparentemente mirata alle risorse strategiche energetiche e industriali, esiste un fattore a mio avviso ancor più critico, che comporterà effetti destabilizzanti nel III millennio; mi riferisco all’acqua, vera risorsa essenziale per la nostra sopravvivenza.
Molte comunità in tutto il mondo si trovano già in zone climatiche aride con penuria di acqua dolce, cosa che affligge il loro sviluppo territoriale creando dure condizioni di sopravvivenza per le loro popolazioni. Oltre alle zone desertiche che si stanno estendo a seguito dei cambiamenti climatici, abbiamo la riduzione drastica dei letti dei fiumi che espone vaste aree a un rischio ancora maggiore di carenza di acqua dolce necessaria per le coltivazioni ma anche per il consumo umano.
A questi fattori naturali, dove spesso non c’è rimedio, si aggiunge l’azione antropica che per sfruttamento eccessivo ed irresponsabile ma anche per le conseguenze dei confitti provoca la desertificazione di ampie zone. Un esempio è nell’Ucraina meridionale, dove migliaia di ettari di steppa fertile sono diventati aridi a causa della rottura della diga di Kakhovka da parte dell’esercito russo nel 2023, con conseguenze che si estendono ben oltre i confini dei quello sventurato Paese, riducendo a produzione di grano necessario per l’approvvigionamento alimentare mondiale. La situazione è ancora più grave in Medio Oriente, dove l’inaridirsi dei grandi fiumi priva le regioni dell’acqua dolce necessaria per la lor sopravvivenza. Di fatto la storia ce lo insegna le conseguenze dei cambiamenti climatici hanno catalizzato le difficoltà economiche creando instabilità sociali che sono sfociate in grandi migrazioni e conflitti. L’emergenza globale di acqua potabile o sanificata non può quindi essere sottovalutata.
zone di siccità: i colori più accesi hanno maggiore siccità (deserti)
Un recente studio, pubblicato il 18 novembre sulla rivista Nature Communications, descrive un dispositivo realizzato dai ricercatori del MIT in grado di raccogliere l’umidità dall’aria trasformandola in acqua potabile in pochi minuti. Secondo i ricercatori, questo metodo offre una riduzione sia dei tempi di produzione sia dell’energia necessaria per estrarre la stessa massa d’acqua rispetto alla tecnica standard di evaporazione-condensazione.
Come funziona?
In parole semplici, gli attuali sistemi di raccolta dell’acqua atmosferica funzionano estraendo l’umidità dall’aria e condensandola in acqua liquida. Questo in genere comporta il raffreddamento dell’aria umida o l’utilizzo di materiali spugnosi chiamati “sorbenti” che assorbono il vapore acqueo che viene poi rilasciato e condensato in goccioline. L’approccio del MIT utilizza invece gli ultrasuoni3, per liberare l’umidità dal materiale assorbente. Poiché questa tecnologia alternativa non si basa sull’evaporazione indotta dal calore, la sua efficienza non è vincolata dal limite termico derivato dal processo di desorbimento convenzionale 2 , un fattore che promette ulteriori miglioramenti in termini di efficienza. Secondo i ricercatori del MIT questo nuovo dispositivo può ridurre il tempo necessario per raccogliere l’acqua dall’atmosfera da giorni a minuti.
Lo studio del MIT dimostra che l’azionamento meccanico vibrazionale può essere utilizzato al posto del calore per estrarre acqua da materiali che raccolgono l’umidità, offrendo un aumento di circa 45 volte l’efficienza energetica di estrazione.
Fortunatamente, l’atmosfera terrestre fornisce una vasta risorsa di acqua dolce. La raccolta di acqua dalla nebbia è stata praticata ovunque da piante, animali ed esseri umani nel corso della storia. Tuttavia, la maggior parte dei 12.900 miliardi di tonnellate di acqua dolce immagazzinati nell’atmosfera non è disponibile sotto forma di nebbia, un fenomeno che si genera solo quando l’umidità relativa (UR) dell’aria si avvicina al 100%. In climi aridi o semi aridi sono necessarie apparecchiature con determinate caratteristiche per ottimizzare la raccolta. In generale esse rientrano tipicamente in due categorie principali:
(i) con tecnologia di refrigerazione attiva per raffreddare l’aria al di sotto del punto di rugiada e favorire quindi la condensazione;
(ii) impiegando tecnologie di adsorbimento-desorbimento che impiegano assorbenti idrofili porosi per raccogliere l’umidità direttamente dall’aria, poi seguite dall’estrazione dell’acqua tramite il processo di evaporazione-condensazione indotto dal calore.
Anche i lettori meno tecnologici possono immaginare che entrambe le tecnologie richiedano molta energia: nel primo caso – di refrigerazione – la produzione d’acqua è estremamente costosa, mentre nel secondo il consumo energetico può essere proibitivo e deve essere associato ad un processo di desorbimento dell’acqua. Si tenga conto che la temperatura necessaria per rilasciare l’acqua catturata da un assorbente può raggiungere anche i 160 °C per i disidratanti convenzionali (come il gel di silice, zeolite e allumina attivata), leggermente inferiore con altri sorbenti, come gli idrogel, che rientrano nell’intervallo 60 °C-80 °C. In ogni caso il problema richiede la somministrazione di un’alta intensità energetica.
Per i tecnici, tutti i prototipi di AWG (atmospheric water generation) presentano un consumo energetico di almeno un ordine di grandezza superiore al limite termodinamico previsto di circa 2 MJ/kg al 30% di umidità relativa. Questo rappresenta un importante collo di bottiglia per la tecnologia dei produttori di acqua con tecnico ad assorbimento-desorbimento, che limita il contributo al 6 Obiettivo di Sviluppo Sostenibile (SDG6) delle Nazioni Unite4.
Attualmente le ricerche si concentrano nella progettazione di assorbenti sempre più efficienti (ovvero in grado di assorbire una maggiore quantità d’acqua per grammo di materiale) o/e sulla progettazione di sistemi in grado di utilizzare l’energia solare. In particolare, studi recenti hanno dimostrato che la riprogettazione dei sistemi per facilitare l’evaporazione dell’acqua a temperature più basse con materiali polimerici o combinando il riscaldamento con altri stimoli esterni, utilizzando la luce solare o l’illuminazione laser, può aumentare l’efficienza di evaporazione anche oltre il limite imposto dalla termodinamica.
a L’estrattore a ultrasuoni comprende un trasduttore piezoelettrico a cristallo PZT e una membrana porosa in acciaio inossidabile (SS) attraverso la quale l’acqua desorbita viene estratta da un materiale assorbente mediante attuazione vibrazionale. Il riquadro nero tratteggiato mostra la struttura del trasduttore, che include un anello in PZT rivestito in argento sormontato da un sottile strato di resina resistente all’acqua fissato alla membrana SS e racchiuso in un anello elastomerico siliconico. Il riquadro rosso tratteggiato mostra la struttura degli ugelli micro lavorati sulla membrana SS, che aiutano a dirigere il flusso d’acqua fuori dal dispositivo.
b Il diagramma dell’assemblaggio del sistema e delle fasi di assorbimento/desorbimento del processo di raccolta dell’umidità che utilizza un materiale assorbente e un micro attuatore. Lo strato superiore in argento e la membrana SS sono collegati ai fili degli elettrodi.
c Un modello CAD del sistema progettato su misura per raccogliere l’umidità estratta dal materiale assorbente dall’attuatore.
d Una fotografia dei prototipi di dispositivi stampati con FDM con assorbenti in idrogel durante il processo di raccolta dell’umidità dall’aria ambiente. L’inserto mostra una vista ravvicinata delle gocce d’acqua raccolte sull’involucro di vetro.
e Valori di efficienza dell’estrazione dell’umidità ottenuti in questo studio rispetto ai dati della letteratura allo stato dell’arte (qui, s = breve periodo di attuazione; l = lungo periodo di attuazione; s_m = cicli multipli ripetitivi di brevi periodi di attuazione). Barre di scala: 50 µm (a); 15 mm (d) – da studio citato
I dispositivi AWG (atmospheric water generation( sfruttano l’azione del sole per far evaporare l’acqua dal sorbente, un’operazione che può richiedere diverse ore o addirittura giorni. Questo limita la loro utilità in ambienti secchi, con scarse risorse, o dove non c’è acqua salata da desalinizzare. Il nuovo dispositivo del MIT, descritto nello studio citato, utilizza invece gli ultrasuoni per rimuovere l’umidità dal sorbente. che viene poi drenata attraverso piccoli ugelli alla base del dispositivo, raccolta in tempi rapidi e utilizzata.
a Schema della struttura di un idrogel PAM-LiCl con ioni litio (Li⁺) e cloruro (Cl⁻) solvatati diffusi in una rete polimerica.
b Fotografie di idrogel PAM-LiCl sintetizzati all’interno e all’esterno di una piastra Petri, che illustrano il contrasto tra i campioni con i moduli di conservazione più alti (HG-A) e più bassi (HG-C).
c Immagini ottiche degli idrogel HG-A e HG-C sottoposti a stiramento manuale.
d,e Immagini SEM di campioni HG-A (d) e HG-C (e).
f Proprietà meccaniche degli idrogel misurate a 25 °C e con un carico oscillatorio a 6,3 rad/s.
g Assorbimento di acqua (g/g) degli idrogel a quattro diversi livelli di umidità relativa a 25 °C. Barre di scala: 12 mm (b); 24 mm (c), 200 µm (d); 300 µm (e) – da studio citato
I risultati sono promettenti ma richiedono ancora molti studi e, in un mondo in cui la ricerca è sempre più penalizzata dalla cecità politica, bisogna sperare che la necessità, più che il caso, illumini i potenti della Terra per un uso più saggio delle risorse.
Note
1. I sorbenti sono varie sostanze liquide o solide che vengono utilizzate per l’assorbimento e rimozione di sostanze a seguito di:
adsorbimento: l’adesione superficiale di molecole liquide,
assorbimento: il completo assorbimento delle molecole con cui sono in contatto.
I sorbenti vengono utilizzati per bloccare le perdite e neutralizzare gli effetti tossici di sostanze chimiche, grassi, vernici, olio combustibile o solventi.
2. Un processo che rimuove efficacemente le sostanze volatili dai campioni mediante il riscaldamento del campione
3. Ultrasuoni sono onde sonore che viaggiano a frequenze superiori a 20 kilohertz, oltre la portata dell’udito umano
4. L’Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile delle Nazioni Unite è un programma, sottoscritto nel 2015 da 193 paesi, che comprende 19 obiettivi di sviluppo sostenibile da raggiungere entro il 2030, tra cui uno dei punti più importanti è l’obiettivo 6, la cui finalità è garantire a tutti la disponibilità e la gestione sostenibile dell’acqua da un punto di vista igienico e sanitario. La strategia mira a rendere accessibile a tutti l’acqua potabile e i servizi igienico-sanitari a tutta l’Umanità. Consideriamo che, secondo le Nazioni Unite, ci sono 663 milioni di persone senza acqua potabile nel mondo, mentre 1,6 miliardi di persone hanno a disposizione soltanto fonti di acqua potabile inquinate da deiezioni. Sempre in merito all’acqua pulita e igiene, l’ONU indica come il 40% della popolazione globale soffra la scarsità idrica, con 1,7 miliardi di persone che vivono in zone con un sovrasfruttamento delle risorse idriche che supera la capacità di rigenerazione. Allo stesso modo, 2,4 miliardi di persone non dispongono di servizi igienico-sanitari di base, mentre circa 100 bambini ogni giorno muoiono per patologie causate dal consumo di acqua contaminata e dall’igiene precaria. Inoltre, oltre l’80% delle acque di scarto delle attività umane è smaltito senza un adeguato trattamento, finendo direttamente in mari e fiumi causando un danno ambientale enorme. Non dobbiamo meravigliarci se altri esseri umani che vivono in quelle disgraziate regioni cerchino una vita migliore nei Paesi più fortunati.
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