Energia
Raccolta di Acqua Atmosferica – Come Sfruttare la Gravità può Far Progredire questa Tecnologia
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L’acqua è forse la risorsa più preziosa di cui il nostro pianeta dispone. Nonostante copra il 70% del nostro pianeta, l’acqua dolce, l’acqua che usiamo per bere, fare il bagno o irrigare i nostri campi, è scarsa. Solo il 3% dell’acqua del mondo è acqua dolce. Inoltre, due terzi di quel 3% si trovano in ghiacciai congelati o non sono disponibili per l’uso.
Le conseguenze della scarsità d’acqua è qualcosa che si riflette in tutto il mondo. Globalmente, quasi 1,1 miliardi di persone non hanno accesso all’acqua. Un totale di 2,7 miliardi di persone nel mondo soffrono della scarsità d’acqua per almeno un mese all’anno.
La carenza d’acqua porta anche a molti altri problemi, come l’igiene inadeguata, un problema per 2,4 miliardi di persone che diventano vulnerabili ed esposte a malattie come colera e tifo, e molte altre malattie diarroiche fatali.
La popolazione in crescita e la domanda sempre più ampia di acqua sono sempre state in conflitto. Più il nostro pianeta è popolato, più i suoi sistemi idrici sono sotto pressione.
L’aumento dei livelli di inquinamento ha avuto un impatto sui fiumi, laghi e falde acquifere del pianeta. Ciò che sembra ancora più angosciante è che oltre la metà delle zone umide del mondo è scomparsa.
Se la comunità scientifica non riesce a evolversi nel tempo e a offrire soluzioni per combattere la minaccia dell’acqua che scompare, i nostri sistemi agricoli non avranno abbastanza acqua presto, portando all’insicurezza alimentare e molto altro.
Tuttavia, fortunatamente, la comunità scientifica è pronta alla sfida a livello globale. Oggi, discuteremo di una soluzione rivoluzionaria nel segmento successivo e poi approfondiremo.
Dispositivo che estrae acqua dall’aria usando nient’altro che la gravità
Un team di ricercatori internazionali, guidati dal Professor Qiaoqiang Gan della KAUST, ha progettato un dispositivo che può potenzialmente funzionare senza elettricità ed estrarre acqua dall’aria con l’aiuto di nient’altro che la gravità. Il dispositivo, già privo della necessità di una costosa fornitura di energia, può essere realizzato con materiali economici e facilmente disponibili.
Il documento sperimentale, intitolato ‘Lubricated Surface in a Vertical Double-Sided Architecture for Radiative Cooling and Atmospheric Water Harvesting’, mira a rendere la raccolta di acqua atmosferica più efficiente.
Il processo di raccolta dell’acqua migliora significativamente nel raffreddamento radiante. Il raffreddamento radiante funziona abbassando notevolmente le temperature del condensatore al di sotto dei livelli ambientali e rendendo possibile la raccolta di acqua atmosferica senza energia aggiuntiva.
Un problema che i sistemi di raffreddamento radiante affrontano è la sfida dei condensatori tradizionali rivolti al cielo, che hanno una bassa densità di potenza di raffreddamento, e le gocce d’acqua rimangono ancorate alla superficie, richiedendo una raccolta attiva del condensato.
La ricerca ha proposto una soluzione a questo problema: un rivestimento a superficie lubrificata (LS) — costituito da un elastomero di polidimetilsilossano altamente scalabile lubrificato con olio di silicone applicato sul lato del condensatore in un’architettura verticale a doppia faccia.
I vantaggi del design sono diversi. Innanzitutto, raddoppia efficacemente la potenza di raffreddamento locale.
In secondo luogo, elimina l’ancoraggio della linea di contatto, consentendo una raccolta passiva dell’acqua guidata dalla gravità. Il risultato è una capacità AWH aumentata da un campione di 0 × 30 cm² in ambienti esterni, senza alcun flusso artificiale di aria umidificata.
Il tasso di raccolta passiva dell’acqua del rivestimento a superficie lubrificata (LS) ha raggiunto 21 g m−2 h−1, il doppio rispetto a una superficie superidrofobica, 10 g m−2 h−1. Le prestazioni erano ancora migliori in un ambiente interno, dove il sistema poteva raggiungere un tasso di condensazione fino all’87% del limite teorico con fino al 90% del condensato totale raccolto passivamente.
Benefici della Raccolta di Acqua Atmosferica Fatto Correttamente
L’atmosfera contiene sei volte più acqua rispetto a tutta l’acqua dolce dei fiumi della Terra combinata. Secondo il Professor Gan:
“Questa acqua può essere raccolta dalle tecnologie di raccolta di acqua atmosferica.”
E quando il processo è eseguito in modo efficiente con la soluzione sopra menzionata, diventa ancora più vantaggioso per i suoi adottanti. Mentre illustrava i benefici del sistema, il Professor Dan Daniel, uno dei post-dottorati del gruppo di ricerca del Professor Gan, ha dichiarato,
“Il sistema non consuma elettricità, portando a risparmi energetici. Inoltre, non dipende da parti meccaniche come compressori o ventole, riducendo la manutenzione rispetto ai sistemi tradizionali, generando ulteriori risparmi.”
Alle osservazioni di Dan Daniel, un altro post-dottorato del team, Shakeel Ahmad, ha aggiunto:
“Il nostro rivestimento ha eliminato efficacemente l’ancoraggio, consentendo una vera raccolta passiva dell’acqua guidata dall’acqua.”
Nel complesso, il sistema migliora la qualità della raccolta di acqua atmosferica di un margine significativo, rendendo l’AWH una vera soluzione efficace in questo mondo di risorse idriche sempre più scarse.
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Progressi nei Sistemi di Raccolta di Acqua Atmosferica
In ottobre 2023, un articolo pubblicato sulla rivista scientifica Energy ha condotto una revisione completa delle tecniche, delle prestazioni, delle soluzioni di energia rinnovabile e della fattibilità relative al metodo di AWH. La revisione ha evidenziato la Raccolta di Acqua Atmosferica come qualcosa che potrebbe essere una vasta fonte di acqua dolce pari a 12.900 km³.
Ha affermato:
“I sistemi di raccolta di acqua atmosferica hanno guadagnato popolarità negli ultimi anni poiché offrono una fonte d’acqua sostenibile nelle regioni aride.”
Nelle sezioni successive, esamineremo alcuni di questi progressi, tra cui deumidificazione, condensazione, cicli di refrigerazione a compressione di vapore (VCRC), raffreddatori termoelettrici (TEC), unità di condizionamento dell’aria, celle a combustibile e sistemi integrati.
Condensazione Deumidificante
Le tecnologie di raccolta d’acqua mediante deumidificazione attingono energia da fonti solari, eoliche o elettriche. Le tecnologie possono basarsi su compressori/refrigeranti o su essiccanti.
I primi tipi operano tramite condensazione al punto di rugiada e forniscono una superficie fredda su cui il vapore acqueo può condensare, mentre i secondi saturano il vapore acqueo usando un assorbitore che viene poi riscaldato, e il vapore acqueo sovrasaturo condensa su una superficie quando interagisce con l’aria di processo ambientale più fresca.
Cicli di Refrigerazione a Compressione di Vapore (VCRC)
Questo processo si riferisce a un meccanismo in cui il vapore viene compresso, poi condensato con acqua o aria, e espanso a bassa pressione e conseguentemente a bassa temperatura tramite una valvola o un motore con prelievo di potenza.
Raffreddatori Termoelettrici
Nel 2023, l’International Information and Engineering Technology Association (IIETA) ha pubblicato uno studio su la raccolta di acqua atmosferica usando la tecnologia di raffreddamento termoelettrico.
Lo studio intendeva esplorare il potenziale dell’aria atmosferica come fonte alternativa di acqua pulita per mitigare la carenza d’acqua in Indonesia, un paese con un’umidità atmosferica media del 75%–85%.
I ricercatori hanno installato un raffreddatore termoelettrico (TEC 1-12706), integrato con un dissipatore di calore e una ventola sul lato caldo per migliorare la dissipazione del calore. Una bobina di raffreddamento in rame ha funzionato sia da assorbitore di calore sia da condensatore per l’aria atmosferica che vi passava attraverso.
La fonte di raffreddamento per la bobina (diametro=7,9 mm; lunghezza=1000 mm) è stata derivata da un blocco d’acqua collegato al lato freddo del raffreddatore. Le impostazioni dell’esperimento includevano tutti i possibili ambienti, inclusi laboratorio, area residenziale e zona costiera, con la velocità del flusso d’aria della ventola del dissipatore variabile.
I dati sono stati raccolti su un intervallo di umidità del 72,27%‑83,01% e i risultati hanno mostrato una correlazione diretta tra la portata di massa d’aria della ventola del dissipatore e la quantità di acqua estraibile dall’aria.
L’esperimento ha anche fornito interessanti approfondimenti sull’impatto del tipo di ambiente sul volume d’aria estratto, poiché più acqua poteva essere estratta sulla costa rispetto a laboratori e aree residenziali.
Più specificamente, la portata di massa d’aria era 0,092 kg/s nelle aree costiere, e l’acqua che poteva essere estratta era 7,75 ml/ora. In ambiente di laboratorio, le prestazioni sono scese a 5,5 ml/ora, e nelle aree residenziali a 4,75 ml/ora. I ricercatori hanno compreso che potevano aumentare l’estrazione d’acqua massimizzando la superficie di contatto tra il raffreddatore d’aria e la superficie della bobina.
Unità di Condizionamento dell’Aria
Nel giugno 2024, un articolo di ricerca pubblicato nella rivista Case Studies in Chemical and Environmental Engineering ha valutato la probabilità di produzione d’acqua dai sistemi di condizionamento dell’aria come fonte di approvvigionamento non convenzionale.
Più specificamente, lo studio ha esaminato le proprietà fisiche e chimiche dell’acqua condensata e ha investigato la presenza di metalli pesanti nei campioni di acqua condensata raccolti prodotti dai sistemi di condizionamento dell’aria.
Lo scopo della valutazione era garantire che la qualità dell’acqua soddisfacesse i criteri stabiliti dagli standard giordani per l’acqua potabile e dalle linee guida FAO per scopi di irrigazione.
Lo studio è stato condotto in Giordania, che si colloca tra i paesi più economicamente svantaggiati al mondo per quanto riguarda le risorse idriche rinnovabili, con una scarsa disponibilità pro capite di circa 61 metri cubi nel 2021.
I risultati dei test hanno indicato che i campioni erano per lo più conformi ai limiti consentiti specificati sia dalle linee guida per l’acqua potabile (sotto 20 °C) sia dai criteri per l’acqua trattata usata per l’irrigazione (sotto 25 °C). L’intervallo di temperatura dei campioni era tra 16 °C e 20 °C, con una media di 18 °C, mentre i valori di pH dei campioni di acqua condensata variavano da 7,16 a 7,25, con una media di 7,20.
Celle a Combustibile
Un’altra ricerca, pubblicata nell’edizione di dicembre 2020 di Applied Energy, ha proposto di riutilizzare l’acqua elettrochimica della cella a combustibile per il generatore di acqua atmosferica basato sul ciclo di compressione di vapore (VCC-AWG).
Il meccanismo della soluzione sfruttava i gas di scarico della cella a combustibile che entravano nel VCC-AWG con un’umidità relativa più alta rispetto all’aria atmosferica naturale, passando attraverso uno scambiatore di calore ambientale per rimuovere il calore di scarto elettrochimico.
Gli scienziati hanno proposto che l’umidità relativa più alta potesse aumentare la resa di acqua dolce per unità di energia. I risultati hanno mostrato che a un’umidità relativa di 0,75, aggiungendo una cella a combustibile da 2 kW si generavano fino a 3 kg/ora di acqua fresca, il 50% in più rispetto all’esclusione della cella a combustibile.
Con un consumo energetico specifico di 200 Wh/kg, il VCC-AWG potrebbe essere integrato con piccoli sacrifici alla potenza della cella a combustibile.
Sistemi Integrati
Infine, diversi ricercatori hanno anche proposto sistemi integrati innovativi che combinano ruote desiccanti e raffreddatori evaporativi per fornire sia aria raffreddata sia acqua condensata.
Ancora più importante, questi sistemi integrati hanno dimostrato capacità eccezionali di raccolta d’acqua in ambienti aridi. Per esempio, secondo i dati ottenuti da un esperimento, un sistema deumidificatore da un metro cubo potrebbe fornire a una famiglia qatarina oltre 15 l di acqua dolce al giorno con livelli di umidità relativa del 50‑70 %.
Mentre le comunità scientifiche di tutto il mondo hanno costantemente esplorato le possibilità della raccolta di acqua atmosferica e ne hanno spinto i limiti, le aziende hanno sviluppato soluzioni adatte per l’adozione di massa. Nelle sezioni successive, daremo un breve sguardo a un paio di queste aziende.
#1. Atoco
Fonte: Atoco
La tecnologia di raccolta d’acqua di Atoco è in grado di catturare e generare acqua pura dall’atmosfera, anche in condizioni secche con umidità relativa inferiore al 20%.
Come la ricerca con cui abbiamo iniziato la discussione, la soluzione Atoco può operare in modalità passiva senza l’uso di elettricità, consentendo operazioni off-grid con zero impronta di carbonio.
La qualità dell’acqua che risulta dall’uso da parte di Atoco di nuovi materiali reticolari è estremamente pura, non richiedendo filtrazione aggiuntiva. È pienamente conforme agli standard globali, inclusi gli standard WHO ed EPA per l’acqua potabile e la qualità dell’acqua FAO per scopi agricoli.
Fondata dal Prof. Omar Yaghi – il padre della chimica reticolare – Atoco crede di poter affrontare sia la causa che l’effetto del cambiamento climatico e di affrontare il riscaldamento globale e la scarsità d’acqua sviluppando soluzioni sostenibili, resilienti e trasformazionali nel campo della raccolta di acqua atmosferica.
#2. Watergen
Watergen, un’azienda israeliana pionieristica e leader globale nel mercato dei dispositivi di acqua potabile atmosferica (AWG), offre macchine che creano acqua potabile nel modo più efficace ed economico possibile. Le sue soluzioni sono presenti in più di 65 paesi in tutto il mondo.
La sua soluzione commerciale Gen-L può produrre fino a 6.000 litri al giorno, mentre la piccola soluzione Genny offre 30 litri al giorno. Ha soluzioni per ogni tipo di esigenza tra questi due estremi.
Nel 2022, Watergen ha annunciato una joint venture strategica con SMV Jaipuria Group con un investimento pianificato di oltre USD 50 million nei prossimi 2‑3 anni per portare i prodotti della tecnologia di acqua dall’aria in India.
Parole Conclusive
Nel complesso, il mondo è pronto ad affrontare le sfide della scarsità d’acqua sfruttando abilmente un’altra risorsa naturale di cui disponiamo in abbondanza: l’aria atmosferica.
Tuttavia, è necessario fare ancora molto lavoro per ampliare i confini riducendo i costi di produzione e rendendo i processi ambientalmente sostenibili con nessun o minimo utilizzo di energia.
Molti dei paesi con scarsità d’acqua sono economie a basso reddito. Hanno bisogno di soluzioni accessibili alle masse e distribuibili nel modo più fluido possibile.
