La technologie à ultrasons dynamise la récolte d’eau atmosphérique

Clean Water From Thin Air: Atmospheric Water Harvesting Basics

Dans de nombreuses régions du monde, l’eau douce est rare. Une option d’accès pourrait être le dessalement, mais jusqu’à présent, il s’agit d’une approche très énergivore, même si certains progrès récents dans la technologie solaire l’ont rapprochée de la réalité.

Le dessalement de l’eau de mer n’est également pas une option pour de nombreuses régions arides intérieures, comme, 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 réalité une humidité atmosphérique assez élevée, mais pour des raisons climatiques, ils ne forment ni pluie ni nuages.

C’est la promesse de la récolte d’eau atmosphérique. Nous avons précédemment expliqué comment le refroidissement passif mélangé à un revêtement de silicium pourrait augmenter l’efficacité de la récolte d’eau basée sur la gravité et les nouveaux polymères d’adsorption pourraient également aider.

Les chercheurs cherchent maintenant à améliorer davantage la récolte d’humidité atmosphérique, nous rapprochant du dispositif de récolte d’eau de science-fiction « windtrap » de l’univers Dune.

Une équipe du MIT, en collaboration avec l’entreprise allemande SmarAct Metrology GmbH & Co. KG, a utilisé les ultrasons pour augmenter l’efficacité de l’adsorption d’eau atmosphérique. Ils ont publié leurs résultats dans Nature Communications¹, sous le titre « High-efficiency atmospheric water harvesting enabled by ultrasonic extraction».

Atmospheric Water Adsorption Explained

Une méthode pour récolter l’eau de l’air consiste à utiliser un polymère qui « adsorbe » l’eau.

Adsorption est la capacité des substances solides, appelées « sorbant », à attirer les molécules de gaz ou de solutions avec lesquelles elles sont en contact sur leurs surfaces – dans ce cas, les vapeurs d’eau gazeuses et les gouttelettes d’eau en suspension dans l’air.

Dans la vie quotidienne, nous connaissons les matériaux adsorbants comme le gel de silice dans les emballages commerciaux. Il s’agit en fait d’un processus relativement efficace, capable de collecter beaucoup d’eau ambiante.

Source: Osaka Metropolitan University

Le problème est de faire libérer l’eau du polymère. En général, une chaleur d’environ 100 °C est nécessaire pour désorber ces polymères, ce qui, bien sûr, les rend très énergivores et coûteux.

« Tout matériau très efficace pour capturer l’eau ne veut pas s’en séparer. Il faut donc investir beaucoup d’énergie et de précieuses heures pour extraire l’eau du matériau. 

Svetlana Boriskina, -chercheuse principale

Même à des températures plus basses avec les nouveaux polymères, le problème persiste : la libération de l’eau par chaleur est un processus lent, prenant des dizaines de minutes voire des heures. En conséquence, 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 quelques minutes seulement et pourrait être effectuée à la demande.

Ultrasounds’ Potential

Les ultrasons, ou ondes ultrasonores, sont des ondes de pression acoustique qui se propagent à des fréquences supérieures à 20 kilohertz (20 000 cycles par seconde). Ils sont de plus en plus utilisés pour des applications avancées, comme le bioprinting et alimenter des dispositifs médicaux à distance.

Il semble que les ultrasons vibrent à la fréquence idéale 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 zirconium plombé (PZT), qui vibre lorsqu’une tension est appliquée.

« C’est comme si l’eau dansait avec les ondes, et cette perturbation ciblée crée un élan qui libère les molécules d’eau, que nous voyons se détacher sous forme de gouttelettes. 

Svetlana Boriskina, -chercheuse principale

Pour adsorber l’eau, ils ont utilisé plusieurs types d’hydrogels AWH PAM-LiCl variant en élasticité, qui intégraient tous des ions lithium et chlorure pour capter l’eau de l’air.

Source: Nature Communications

Lors des tests, le dispositif a pu extraire suffisamment d’eau pour sécher chaque échantillon en seulement quelques minutes.

L’inspection des hydrogels au microscope électronique a également prouvé que les ultrasons n’endommageaient pas le gel, rendant ce dispositif suffisamment durable pour une utilisation pratique.

Source: Nature Communications

Massive Efficiency Improvement

Parce que jusqu’à présent la libération d’eau par chaleur ne se produisait qu’une seule fois, l’efficacité du processus était très faible, même l’appareil le plus avancé n’atteignant que 9,5 % d’efficacité.

En revanche, le système du MIT peut produire de l’eau de façon répétée pendant la journée, atteignant une efficacité pouvant aller jusqu’à 428 %, soit une augmentation de 45 fois.

« Tout dépend 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 représenter beaucoup d’eau par jour. 

Svetlana Boriskina, -chercheuse principale

« Les gens cherchent depuis longtemps des moyens de récolter l’eau de l’atmosphère, ce qui pourrait constituer une source importante d’eau, notamment pour les régions désertiques et les endroits où il n’existe même pas d’eau salée à désaler.

Nous disposons maintenant d’un moyen de récupérer l’eau rapidement et efficacement.

 

Svetlana Boriskina, -chercheuse principale

Real-Life Deployment in Arid and Remote Regions

Dans un premier temps, la meilleure application possible de cet appareil sera pour les zones désertiques éloignées avec un accès limité à la fois à l’énergie et aux infrastructures d’eau douce.

Contrairement à l’adsorption basée sur la chaleur, cet appareil nécessitera toutefois une alimentation électrique pour générer les ultrasons, il faudra donc une production d’énergie décentralisée, soit avec :

• 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 davantage de cycles de récolte d’eau de 2 minutes par heure.
• Avec une production d’énergie renouvelable + des systèmes de batteries pour fonctionner 24 h/24 et 7 j/7.

Lors des tests visant à déterminer la fréquence de cycle idéale, les chercheurs ont constaté que le rythme optimal consiste à laisser le matériau absorber l’eau pendant 1 heure, puis à utiliser les ultrasons pour la libérer en 2 minutes, et à répéter le cycle.

Plus important encore, l’énergie requise pour extraire l’eau avec les ultrasons est restée constante, contrairement à la lente diminution observée avec les méthodes basées sur la chaleur.

Source: Nature Communications

Future Improvements in Atmospheric Water Harvesting

Next-Generation Sorbent Materials

Cette méthode utilisait des hydrogels au lithium, mais de nombreux autres matériaux sorbants existent : d’autres hydrogels, des cadres métal-organiques, des nattes de micro‑ et nanofibres, ainsi que des combinaisons de ces matériaux.

Chaque devra être réévalué et réingénieré pour améliorer sa compatibilité avec la méthode d’extraction alternative.

La résistance à la dégradation de ces autres sorbants devra également être évaluée.

Improving Ultrasound Efficiency

Étant donné que la NASA a effectué des tests sur des actionneurs PZT, jusqu’à 100 milliards de cycles sur 580 jours, et n’a constaté aucun dommage perceptible ni aucune baisse de performance substantielle, la partie génératrice d’ultrasons du dispositif devrait être très durable.

Cependant, la conception utilisée dans cette expérience est relativement inefficace pour convertir l’énergie en ultrasons, avec seulement 17 à 19 % d’efficacité.

Un dispositif à matrice de transducteurs piézoélectriques composites 1‑3, au lieu d’un seul actionneur en forme d’anneau, pourrait atteindre jusqu’à 35 % d’efficacité.

Des ultrasons à base de PZT plus grands pourraient également être beaucoup plus efficaces que le petit dispositif expérimental testé ici. Ainsi, globalement, une efficacité de 1 000 % ou plus pourrait être atteinte en calibrant et en améliorant le matériau PZT utilisé.

Toward Water Generating Towers?

Une autre amélioration importante est que l’extraction ultrasonique ne nécessite pas d’exposer la surface du sorbant à la lumière du soleil. Ainsi, les appareils peuvent être empilés verticalement les uns sur les autres sans limitation en principe du nombre de rangées verticales.

Au lieu d’un vaste champ pour absorber la lumière du soleil, de grandes tours qui font circuler l’eau de chaque dispositif empilé pourraient être construites pour des conceptions plus centralisées.

Companies Solving Water Shortages

Xylem Inc.

En partenariat avec l’entreprise européenne Veolia, Xylem est un leader mondial de la purification de l’eau, du traitement des eaux usées et du dessalement. Elle emploie plus de 23 000 personnes (dont plus de 6 000 ingénieurs) et opère dans 150 pays, avec un accent sur les États‑Unis, et compte plus de 35 000 clients industriels directs.

Son principal marché est l’eau potable municipale et les eaux usées, mais elle fournit également des solutions dédiées liées à l’eau à d’autres secteurs tels que la santé, l’énergie, l’alimentation et les boissons, le pétrole et le gaz, la microélectronique, etc.

Source: Xylem

Xylem peut fournir les équipements brevetés essentiels pour nettoyer ou produire de l’eau, tels que des générateurs d’ozone, des lampes UV, des membranes de dessalement, des générateurs d’eau ultra‑pure, etc.

Mais elle fournit également des équipements « plus simples » tout aussi essentiels aux opérations liées à l’eau, comme les turbines, pompes, tuyauteries, injections, logiciels, etc., ainsi que des services de maintenance, de réparation et d’installation, en faisant une solution tout‑en‑un pour la plupart des applications hydriques.

Source: Xylem

Le marché de l’eau reste très fragmenté, Xylem étant l’une des plus grandes entreprises du secteur, mais ne détenant « que » qu’une part de marché de 10 % sur son marché adressable de 80 milliards de dollars.

L’entreprise consacre environ 4 % de son chiffre d’affaires à la R&D. Elle devrait bénéficier des nouvelles réglementations concernant les PFAS (substances per- et polyfluoroalkyl, ou produits chimiques éternels), avec plus de 6 000 installations utilitaires nécessitant un tel traitement des PFAS.

Xylem a connu une croissance régulière, son revenu net passant de 297 M$ en 2012 à 609 M$ en 2023 tout en maintenant une marge EBITDA stable de 17 à 19 %.

Dans l’ensemble, cela rend le profil d’investissement de l’entreprise moins similaire à celui d’une société industrielle (souvent cyclique) et plus proche de celui d’une société de services publics qui croît avec l’économie globale, voire légèrement au-dessus, comme la plupart de ses consommateurs.

Latest Xylem (XYL) Stock News and Developments

Study Referenced

^{1. Shuvo, I.I., Díaz-Marín, C.D., Christen, M. et al. High-efficiency atmospheric water harvesting enabled by ultrasonic extraction. Nature Communications 16, 9947 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-65586-2}