La Tecnologia Polimerica a Energia Solare Dimezza i Costi della Desalinazione

Gran parte del mondo moderno dipende da infrastrutture spesso dimenticate come strade, porti, linee elettriche, ecc.

Un’altra infrastruttura critica è l’acqua, dalla raccolta alla purificazione e al trattamento delle acque reflue. L’accesso ad acqua pulita non è solo importante per la vita quotidiana e per mantenere sotto controllo l’inquinamento; è anche una risorsa vitale per la produzione, i data center, ecc.

Sfortunatamente, la stragrande maggioranza dell’acqua sulla Terra è intrappolata negli oceani o nei ghiacciai artici e antartici, lasciando meno dell’1% disponibile come acqua dolce utilizzabile.

Fonte: OpenEdu

Ecco perché metodi di desalinazione efficienti che non dipendono da tecniche costose e ad alto consumo energetico potrebbero rappresentare una grande innovazione. Non solo potrebbero aiutare le regioni aride che attualmente dipendono da tali metodi costosi, ma potrebbero anche generare acqua fresca su qualsiasi costa della Terra, dove vive già l’80% della popolazione mondiale.

The cumulative contracted desalination capacity has now surpassed 100 milioni di m3/g, e quasi il 60% della desalinazione è destinato al consumo umano, with already 21.000 impianti di desalinazione dell’acqua di mare in tutto il mondo.

Rendere tali impianti più efficienti ridurrebbe anche il consumo energetico e aiuterebbe a diminuire le emissioni di carbonio, un passo importante poiché il riscaldamento globale è esso stesso un fattore di desertificazione e carenza d’acqua che rende la desalinazione ancora più necessaria.

Ricercatori cinesi della Beijing Academy of Science hanno sviluppato un nuovo polimero con una nuova architettura fototermica tridimensionale (3D) che accelera l’evaporazione, rendendo la desalinazione alimentata dal sole molto più efficiente, riducendo il consumo energetico dell’evaporazione del 45,7%. Hanno pubblicato i loro risultati su Advanced Materials¹, con il titolo “Interlocking Stabilized 3D Photothermal Nano-Architectures Enables Distributed Solar Desalination”.

Desalinazione Alimentata dal Sole

Esistono molti modi per rimuovere il sale dall’acqua di mare e trasformarla in acqua dolce potabile. Attualmente, il metodo di desalinazione su larga scala più comune utilizza l’osmosi inversa, dove pompe ad alta pressione spingono l’acqua attraverso membrane specializzate con pori microscopici, separando l’acqua pura dai sali disciolti.

Il problema è che questo processo è piuttosto energivoro e richiede membrane artificiali costose per svolgere il compito.

Un’alternativa sono i metodi termici, che sfruttano il fatto che quando l’acqua evapora, lascia il sale, con il vapore di acqua dolce pura. Tuttavia, anche questo è un processo ad alto consumo energetico.

La maggior parte delle aree aride sono deserti e sono caratterizzate da intensa luce solare, il che rende la luce del sole la fonte logica da utilizzare per la desalinazione.

Ecco perché qualsiasi materiale che possa favorire l’evaporazione con meno energia può cambiare radicalmente l’economia della desalinazione. Per esempio, in precedenza abbiamo trattato come l’idrogel può aiutare i fotoni a creare evaporazione indipendentemente dal calore o come un processo di concentrazione ionica può essere usato per creare un’unità di desalinazione portatile che pesa meno di 10 chilogrammi.

Ciò che distingue il nuovo polimero sviluppato dai ricercatori cinesi è che combina durabilità, facilità di fabbricazione e test sul campo che hanno dimostrato la sua fattibilità economica nella produzione di acqua fresca più economica dell’acqua in bottiglia e in grado di far crescere colture.

Desalinazione Alimentata dal Sole tramite Polimeri

Massimizzare l’Esposizione alla Luce Solare

In teoria, utilizzare la luce solare per la desalinazione è il processo più semplice, poiché sfrutta il calore del Sole per evaporare l’acqua. In pratica, il tasso di evaporazione può dipendere da molte variabili come il calore ambientale, l’area di superficie, l’umidità relativa dell’aria, il movimento dell’aria, la pressione e la temperatura dell’acqua.

“L’evaporazione alimentata dal sole è un approccio promettente, ma la sua implementazione pratica è spesso ostacolata dalla difficoltà di integrare sinergicamente prestazioni, robustezza e fattibilità economica”

Il modo in cui l’acqua è esposta all’aria e ai raggi solari può cambiare radicalmente la velocità di evaporazione e l’energia necessaria. Con questo in mente, i ricercatori hanno sviluppato un polimero con strutture cave uniche collegate tra loro che massimizzano l’evaporazione.

Fonte: Advanced Materials

“La struttura contiene catene polimeriche strettamente collegate con strutture a guscio cavo che forniscono un’evaporazione record 8,5 volte superiore rispetto ai tassi precedentemente riportati per la tecnologia.”

Questa struttura massimizza la cattura della luce solare, riducendo l’energia richiesta per l’evaporazione. In totale, il consumo energetico dell’evaporazione è stato drasticamente ridotto quando l’assorbimento della luce solare era vicino al massimo teorico.

“Questa struttura presenta un assorbimento solare a banda larga del 90,2% e riduce il consumo energetico dell’evaporazione del 45,7%,”

Catturatori Solari Polimerici Ottimali

Il materiale utilizzato era Ta₂O₅/C (tantalum pentossido-carbonio), capace sia di assorbire la luce solare sia di formare forti legami molecolari polimerici. Il suo funzionamento consiste nel fatto che le catene polimeriche del poliestere penetrano con precisione nella struttura porosa delle nanosphere, creando una “morfologia di nanoforesta”.

Fonte: Advanced Materials

I ricercatori hanno testato diverse lunghezze di tubi capillari per osservare quale fosse la migliore per innescare l’evaporazione. Hanno scoperto che, con la struttura cava aggiunta, i capillari PET hanno raggiunto quasi la massima efficienza con una lunghezza di soli 15 centimetri.

Fonte: Advanced Materials

Durabilità e Applicazioni Commerciali

Dopo 30 giorni in acqua di mare, il materiale non era ancora influenzato né dal sale né dalla luce solare, senza danni rilevabili anche quando osservato con microscopia elettronica. Inoltre, non sono stati rilevati radicali liberi attivi quando il materiale è stato esposto alla luce, suggerendo una potenziale buona durabilità e affidabilità durante l’uso a lungo termine, poiché i radicali sono un fattore chiave del degrado della plastica dovuto al sole.

I ricercatori stimano che il materiale potrebbe durare anni in condizioni reali e mantenere intatte le sue prestazioni, un prerequisito per qualsiasi applicazione su larga scala.

Hanno inoltre testato il potenziale per la produzione di massa, con un reattore idrotermale da 20 litri in laboratorio e un forno a tunnel multizona che hanno prodotto 100 g del materiale, e il metodo è facile da applicare per lotti molto più grandi di decine di chilogrammi di materiale almeno.

Un’analisi completa dei costi del ciclo di vita indica che dopo due anni di funzionamento, il costo della produzione di acqua scenderà al di sotto di quello dell’acqua in bottiglia disponibile in commercio, dimostrando una significativa competitività economica, almeno per l’acqua potabile in qualsiasi zona con accesso al mare.

Fonte: Advanced Materials

Test dei Prototipi

I ricercatori hanno utilizzato il loro materiale in un dispositivo di desalinazione solare a condensazione attiva di 0,75 m2. Ha prodotto più di 20 litri (5,2 galloni) di acqua dolce sotto luce solare naturale, con una qualità conforme agli standard di potabilità dell’OMS.

Questa produzione è sufficiente a soddisfare le necessità quotidiane di base di circa dieci persone, utilizzando solo la luce solare e l’acqua di mare.

Fonte: Advanced Materials

La stessa acqua è stata anche testata per favorire la crescita di varie colture per un’intera stagione, utilizzando un appezzamento dimostrativo di 5 m2. Hanno coltivato spinaci, mais e cavolo cinese, illustrando come questo sistema possa aiutare a far crescere colture in regioni aride.

Fonte: Advanced Materials

Futuro della Desalinazione

Ulteriori test con questo nuovo materiale potrebbero essere effettuati per ottimizzare ulteriormente la produzione. Per esempio, semplici set di specchi potrebbero aiutare a riscaldare l’acqua e aumentare l’evaporazione a un tasso ancora più elevato, con costi molto bassi in termini di materiali aggiuntivi o complessità di installazione.

Allo stesso modo, macchinari aggiuntivi come ventilatori o altri sistemi di supporto come l’aggiunta di pressione o la riduzione dell’umidità, tutti alimentati da pannelli fotovoltaici, potrebbero anche contribuire a incrementare ulteriormente la produttività.

In generale, è probabile che una combinazione di materiali avanzati che aumentano l’efficienza e design sufficientemente semplici da poter essere scalati economicamente dominerà le soluzioni di desalinazione.

E le aziende con esperienza nella gestione di acqua dolce e impianti di desalinazione adotteranno progressivamente questi nuovi design e aggiorneranno le loro infrastrutture di conseguenza.

Investire nelle Infrastrutture Idriche

Consolidated Water

Consolidated Water (CWCO ) è un importante fornitore di acqua dolce per i Caraibi e gli Stati Uniti. La sua specialità sono gli impianti di desalinazione, con un focus su aree con limitata disponibilità di acqua dolce.

Possiede un totale di 11 impianti in funzione, generando 27,3 milioni di galloni di acqua dolce al giorno, oltre a 97 impianti di trattamento dell’acqua. Un contratto chiave dell’azienda è nelle Isole Cayman, dove detiene una licenza esclusiva di fornitura idrica per erogare 6 milioni di galloni al giorno.

Fonte: Consolidated Water

L’azienda ha recentemente vinto il contratto per un importante progetto di impianto alle Hawaii, per progettare, costruire, gestire e mantenere un nuovo impianto di desalinazione ad osmosi inversa dell’acqua di mare a O’ahu. Produrrà 1,7 milioni di galloni di acqua potabile al giorno. Sarà il 24° impianto di desalinazione ad osmosi inversa dell’acqua di mare costruito da Consolidated Water, e il primo negli USA. Genererà 148 M$ di ricavi nei primi due anni, seguiti da ricavi costanti per i successivi 24 anni, per un totale di 204 M$.

Oltre a gestire impianti idrici, l’azienda è anche un produttore di attrezzature per il trattamento dell’acqua attraverso AEREX. AEREX è stata acquisita nel 2020 ed è stata una delle numerose acquisizioni, conferendo all’azienda ulteriore scala ed esperienza nel suo settore di nicchia (altre acquisizioni includono Ramey Environmental Compliance – REC e PERC Water Corporation in California).

L’azienda ha ricavi stabili dalla produzione di acqua, e ricavi più variabili dai occasionali grandi progetti di costruzione.

Fonte: Consolidated Water

L’azienda ha costruito la sua esperienza nella desalinazione e nella risoluzione di pressanti necessità idriche dove non esistevano soluzioni facili. L’emergere di nuove tecnologie di desalinazione combinato con l’aumento delle carenze idriche dovrebbe aiutare Consolidated Water ad acquisire nuovi mercati e far crescere i suoi ricavi in futuro. Inoltre, un solido bilancio dovrebbe favorire acquisizioni strategiche e coprire le spese di capitale e R&S per nuovi progetti di impianti idrici.

Ultime Notizie e Sviluppi sulle Azioni di American Water Works (AWK)

Studio di Riferimento

^{1. Dan Yu et al., Interlocking Stabilized 3D Photothermal Nano-Architectures Enables Distributed Solar Desalination. Advanced Materials. 21 giugno 2026. https://doi.org/10.1002/adma.73756}