Durabilité
Ultrasound Tech Supercharges Atmospheric Water Harvesting
TL;DR
L’équipe du MIT a créé un dispositif à ultrasons qui peut extraire de l’eau de l’air humide jusqu’à 45 fois plus efficacement que les systèmes basés sur la chaleur, réduisant les cycles de plusieurs heures à quelques minutes. Si cela est mis à l’échelle avec les énergies renouvelables, cela pourrait permettre la génération pratique d’eau potable hors réseau dans les régions arides et reculées.
De l’eau potable à partir de l’air : les bases de la récolte d’eau atmosphérique
Dans de nombreuses régions du monde, l’eau potable est un luxe. Une option pour y accéder pourrait être la dessalement, mais jusqu’à présent, cette approche est très énergivore, même si certains progrès dans la technologie solaire ont récemment rendu cela plus proche de la réalité.
Le dessalement de l’eau de mer n’est pas non plus une option pour de nombreuses régions arides intérieures, telles que, par exemple, l’Asie centrale, la Mongolie, les montagnes chiliennes ou la majeure partie du désert du Sahara.
Une autre option consiste à capturer l’eau présente dans l’air. De nombreux déserts ont en fait une humidité atmosphérique relativement élevée, mais pour des raisons climatiques, ils ne forment pas de pluie et de nuages.
C’est la promesse de la récolte d’eau atmosphérique. Nous avons précédemment couvert comment le refroidissement passif mélangé à un revêtement en silicium pourrait améliorer l’efficacité de la récolte d’eau par gravité et comment de nouveaux polymères d’adsorption pourraient également aider.
Les chercheurs cherchent maintenant à améliorer encore la récolte d’humidité atmosphérique, nous rapprochant de la science-fiction de la récolte d’eau « windtrap » de l’univers de Dune.
Une équipe du MIT, en collaboration avec la société allemande SmarAct Metrology GmbH & Co. KG, a utilisé les ultrasons pour améliorer l’efficacité de l’adsorption d’eau atmosphérique. Ils ont publié leurs résultats dans Nature Communications1, sous le titre « Récolte d’eau atmosphérique à haute efficacité permettant l’extraction ultrasonique ».
Explication de l’adsorption d’eau atmosphérique
Une méthode pour récolter de l’eau de l’air consiste à utiliser un polymère qui « adsorbe » l’eau.
L’adsorption est la capacité de substances solides, appelées « sorbant », à attirer des molécules de gaz ou de solutions avec lesquelles elles sont en contact avec leurs surfaces – dans ce cas, des vapeurs d’eau gazeuses et des gouttes d’eau suspendues dans l’air.
Dans la vie courante, nous connaissons des matériaux adsorbants comme le gel de silice dans les emballages commerciaux. Ceci est en fait un processus relativement efficace, et il peut collecter beaucoup d’eau ambiante.
Source : Université métropolitaine d’Osaka
Le problème est de faire libérer cette eau par le polymère. Habituellement, une chaleur d’environ 100°C est nécessaire pour désorber ces polymères, ce qui, bien sûr, rend le processus très énergivore et coûteux.
« Tout matériau qui est très bon pour capturer l’eau ne veut pas se séparer de cette eau. Vous devez donc mettre beaucoup d’énergie et de précieuses heures pour extraire l’eau du matériau. »
Même avec des polymères plus récents, la température plus basse a le problème que la libération de l’eau à l’aide de la chaleur est un processus lent, prenant des dizaines de minutes ou des heures. Par conséquent, la plupart des systèmes d’adsorption d’eau doivent capturer l’eau la nuit et la libérer pendant la journée avec la chaleur du soleil.
En revanche, l’utilisation des ultrasons pourrait réduire le temps de récolte d’eau à seulement quelques minutes et pourrait être effectuée sur demande.
Le potentiel des ultrasons
Les ultrasons, ou ondes de pression acoustique, sont des ondes qui voyagent à des fréquences de plus de 20 kilohertz (20 000 cycles par seconde). Ils sont de plus en plus utilisés pour des applications avancées, comme la bioimpression et l’alimentation sans fil des dispositifs médicaux à distance.
Il semble que les ultrasons vibrent à la fréquence exacte pour provoquer la séparation des molécules d’eau et du matériau qui les a absorbées.
Source : Nature Communications
Les chercheurs ont conçu un anneau céramique plat en titanate de plomb zirconate (PZT), qui vibre lorsqu’une tension est appliquée.
« C’est comme si l’eau dansait avec les ondes, et cette perturbation ciblée crée une impulsion qui libère les molécules d’eau, et nous pouvons les voir se déposer en gouttes. »
Pour adsorber l’eau, ils ont utilisé plusieurs types d’hydrogels PAM-LiCl AWH variant en élasticité, qui incorporaient tous des ions de lithium et de chlorure pour capturer l’eau de l’air.
Source : Nature Communications
Lorsqu’ils ont été testés, le dispositif a pu secouer suffisamment d’eau pour assécher chaque échantillon en quelques minutes.
L’inspection des hydrogels à l’aide d’un microscope électronique a également prouvé que les ultrasons n’avaient pas endommagé le gel, ce qui rend ce dispositif suffisamment durable pour une utilisation pratique.
Source : Nature Communications
Amélioration massive de l’efficacité
Parce que jusqu’à présent, la libération de l’eau à l’aide de la chaleur ne se produisait qu’une seule fois, l’efficacité du processus était très faible, avec même le dispositif le plus avancé à seulement 9,5 % d’efficacité.
En revanche, le système du MIT peut produire de l’eau à plusieurs reprises pendant la journée, ce qui conduit à une efficacité allant jusqu’à 428 %, soit une augmentation de 45 fois de l’efficacité.
« Tout est question de la quantité d’eau que vous pouvez extraire par jour », dit-elle. « Avec les ultrasons, nous pouvons récupérer l’eau rapidement, et répéter le cycle encore et encore. Cela peut s’accumuler à beaucoup par jour. »
Ainsi, même si le dispositif a gaspillé un peu d’énergie en chaleur (effet Joule), il est toujours beaucoup plus efficace que toutes les autres méthodes de récolte d’eau développées jusqu’à présent.
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| Méthode | Source d’énergie | Vitesse du cycle | Efficacité (%) |
|---|---|---|---|
| Récolte d’eau atmosphérique traditionnelle basée sur la chaleur | Chaleur solaire | Heures par cycle | ~9,5% |
| Extraction ultrasonique du MIT | Électrique (solaire/éolien) | 2 minutes par cycle | ~428% |
“Les gens cherchent des moyens de récolter l’eau de l’atmosphère, qui pourrait être une grande source d’eau, en particulier pour les régions désertiques et les endroits où il n’y a même pas d’eau de mer à désaliniser.
Maintenant, nous avons un moyen de récupérer l’eau rapidement et efficacement. »
Déploiement dans la vie réelle dans les régions arides et reculées
Au départ, la meilleure application possible de ce dispositif sera pour les zones désertiques reculées avec un accès limité à la fois à l’énergie et aux infrastructures d’eau potable.
Contrairement à l’adsorption basée sur la chaleur, ce dispositif aura cependant besoin de puissance électrique pour produire les ultrasons, il faudra donc une production d’énergie décentralisée, soit :
- Panneaux solaires comme ceux utilisés dans les expériences du MIT.
- Avec le vent, qui pourrait fonctionner la nuit, lorsque l’humidité est encore plus élevée, permettant ainsi plus de cycles de récolte d’eau de 2 minutes par heure.
- Avec des systèmes de génération d’énergie renouvelable + batteries pour fonctionner 24h/24.
Lorsqu’ils ont testé quelle est la fréquence de cycle idéale, les chercheurs ont constaté que le rythme idéal est de laisser le matériau absorber l’eau pendant 1 heure, puis d’utiliser les ultrasons pour la libérer en 2 minutes, et de répéter le cycle.
Plus important encore, l’énergie requise pour extraire l’eau avec les ultrasons est restée constante, au lieu de voir une baisse lente comme avec les méthodes basées sur la chaleur.
Source : Nature Communications
Améliorations futures de la récolte d’eau atmosphérique
Matériaux sorbants de nouvelle génération
Cette méthode a utilisé des hydrogels de lithium, mais de nombreux autres matériaux sorbants existent : d’autres hydrogels, des frameworks métallo-organiques, des tapis de micro- et de nano-fibres, et des combinaisons de ces matériaux.
Chacun devra être réévalué et réaménagé pour améliorer sa compatibilité avec la méthode d’extraction alternative.
La résistance à la dégradation de ces autres sorbants devra également être évaluée.
Amélioration de l’efficacité des ultrasons
Étant donné que la NASA a effectué des tests sur des actionneurs PZT pendant jusqu’à 100 milliards de cycles sur 580 jours et n’a révélé aucun dommage discernable ou déclin de performance important, la partie du dispositif générant les ultrasons est censée être très durable.
Cependant, la conception utilisée dans cette expérience est relativement inefficace pour convertir la puissance en ultrasons, avec seulement 17 à 19 % d’efficacité.
Un dispositif à transducteur piézoélectrique composite 1-3, au lieu d’un actionneur en anneau, pourrait atteindre jusqu’à 35 % d’efficacité.
Des ultrasons PZT plus importants pourraient également être beaucoup plus efficaces que le petit dispositif expérimental testé ici. Ainsi, une efficacité de 1 000 % ou plus pourrait être atteinte lors de la calibration et de l’amélioration du matériau PZT utilisé.
Vers des tours de génération d’eau ?
Une autre amélioration importante est que l’extraction ultrasonique n’exige pas d’exposer la surface du sorbant à la lumière du soleil. Les dispositifs peuvent donc être empilés verticalement les uns sur les autres sans limitation de principe au nombre de rangées verticales.
Au lieu d’un grand champ pour absorber la lumière du soleil, de grandes tours qui font couler l’eau de chaque dispositif empilé pourraient être construites pour des conceptions plus centralisées.
Entreprises qui résolvent les pénuries d’eau
Xylem Inc.
(XYL )
Together avec l’européen Veolia, Xylem est un leader mondial dans l’épuration de l’eau, le traitement des eaux usées et la dessalement. Il emploie 23 000 personnes (dont 6 000 ingénieurs) et opère dans 150 pays, avec un accent sur les États-Unis, avec 35 000 clients industriels directs.
Son principal marché est l’eau potable et les eaux usées municipales, mais il fournit également des solutions dédiées à d’autres secteurs comme les soins de santé, l’énergie, les boissons et les aliments, le pétrole et le gaz, la microélectronique, etc.
Source : Xylem
Xylem peut fournir les pièces d’équipement critiques pour nettoyer ou produire de l’eau, comme des générateurs d’ozone, des lampes UV, des membranes de dessalement, des générateurs d’eau ultrapure, etc.
Mais il fournit également des équipements « plus simples » tout aussi critiques pour les opérations liées à l’eau, comme des turbines, des pompes, des tuyaux, des injecteurs, des logiciels, etc., ainsi que des services de maintenance, de réparation et d’installation, ce qui en fait un guichet unique pour la plupart des applications liées à l’eau.
Source : Xylem
Le marché de l’eau est encore très fragmenté, avec Xylem comme l’une des plus grandes entreprises du secteur, mais détenant toujours « seulement » 10 % de parts de marché sur son marché abordable de 80 milliards de dollars.
La société consacre environ 4 % de ses ventes à la R & D. Elle devrait bénéficier de nouvelles réglementations concernant les PFAS (substances per- et polyfluoroalkyles, ou substances chimiques éternelles), avec 6 000 installations de services publics ayant besoin d’un tel traitement des PFAS.
Xylem a connu une croissance régulière, avec un bénéfice net passant de 297 millions de dollars en 2012 à 609 millions de dollars en 2023, tout en maintenant une marge d’EBITDA stable de 17 à 19 %.
Dans l’ensemble, cela rend le profil d’investissement de l’entreprise moins similaire à celui d’une entreprise industrielle (souvent cyclique) et plus similaire à celui d’une entreprise de services publics qui croît avec l’économie globale ou un peu au-dessus de ce rythme, comme la plupart de ses consommateurs.
Dernières actualités et développements sur Xylem (XYL)
Étude référencée
1. Shuvo, I.I., Díaz-Marín, C.D., Christen, M. et al. Récolte d’eau atmosphérique à haute efficacité permettant l’extraction ultrasonique. Nature Communications 16, 9947 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-65586-2
