Sostenibilità
La tecnologia a ultrasuoni potenzia la raccolta d’acqua atmosferica
Aggiungi Securities.io alle tue fonti preferite su Google
TL;DR
Il dispositivo a ultrasuoni del MIT può estrarre acqua dall’aria umida fino a 45× più efficientemente rispetto ai sistemi basati sul calore, riducendo i cicli da ore a minuti. Se scalato con fonti rinnovabili, potrebbe consentire la generazione pratica di acqua pulita fuori rete in regioni aride e remote.
Acqua pulita dall’aria sottile: Nozioni di base sulla raccolta d’acqua atmosferica
In molte regioni del mondo, l’acqua dolce è un bene prezioso. Un’opzione per l’accesso potrebbe essere la desalinizzazione, ma finora questo è un approccio molto energivoro, anche se alcuni progressi nella tecnologia solare l’hanno recentemente avvicinata alla realtà.
La desalinizzazione dell’acqua di mare non è nemmeno un’opzione per molte regioni aride interne, come, ad esempio, l’Asia centrale, la Mongolia, le montagne cilene o la maggior parte del deserto del Sahara.
Un’altra opzione è catturare l’acqua presente nell’aria. Molti deserti hanno in realtà un’umidità atmosferica piuttosto elevata, ma per ragioni climatiche non formano pioggia né nuvole.
Questa è la promessa della raccolta d’acqua atmosferica. In precedenza abbiamo trattato come il raffreddamento passivo combinato con un rivestimento di silicio possa aumentare l’efficienza della raccolta d’acqua basata sulla gravità e come nuovi polimeri adsorbenti possano aiutare.
I ricercatori stanno ora studiando ulteriori miglioramenti nella raccolta dell’umidità atmosferica, avvicinandoci alla fantascienza della “windtrap” dell’universo di Dune.
Un team del MIT, in collaborazione con la società tedesca SmarAct Metrology GmbH & Co. KG, ha utilizzato gli ultrasuoni per aumentare l’efficienza dell’adsorbimento dell’acqua atmosferica. Hanno pubblicato i loro risultati su Nature Communications1, con il titolo “High-efficiency atmospheric water harvesting enabled by ultrasonic extraction”.
Spiegazione dell’adsorbimento dell’acqua atmosferica
Un metodo per raccogliere acqua dall’aria è utilizzare un polimero che “adsorbe” l’acqua.
Adsorbimento è la capacità delle sostanze solide, chiamate “sorbenti”, di attrarre molecole di gas o soluzioni con cui entrano in contatto sulle loro superfici – in questo caso, vapori d’acqua gassosi e goccioline d’acqua sospese nell’aria.
Nella vita quotidiana conosciamo materiali adsorbenti come il gel di silice negli imballaggi commerciali. Questo è in realtà un processo relativamente efficiente e può raccogliere molta acqua ambientale.
Il problema è far rilasciare l’acqua al polimero. Di solito è necessario un calore di circa 100 °C per desorbire questi polimeri, il che, ovviamente, li rende molto poco efficienti dal punto di vista energetico e costosi.
“Qualsiasi materiale molto bravo a catturare l’acqua non vuole separarsene. Quindi è necessario impiegare molta energia e ore preziose per estrarre l’acqua dal materiale.”
Temperature più basse con i nuovi polimeri hanno il problema che il rilascio dell’acqua mediante calore è un processo lento, che richiede decine di minuti o ore. Di conseguenza, la maggior parte dei sistemi di adsorbimento d’acqua deve catturare l’acqua di notte e rilasciarla durante il giorno con il calore del Sole.
Al contrario, l’uso degli ultrasuoni potrebbe ridurre il tempo di raccolta dell’acqua a pochi minuti e potrebbe essere effettuato su richiesta.
Potenziale degli ultrasuoni
Gli ultrasuoni, o onde ultrasoniche, sono onde di pressione acustica che viaggiano a frequenze superiori a 20 kilohertz (20 000 cicli al secondo). Sono sempre più usati per applicazioni avanzate, come la bioprinting e l’alimentazione di dispositivi medici remoti.
Sembra che gli ultrasuoni vibrino alla frequenza giusta per provocare la separazione delle molecole d’acqua e del materiale che le ha assorbite.
Fonte: Nature Communications
I ricercatori hanno progettato un anello ceramico piatto in piombo zirconato titanico (PZT), che vibra quando viene applicata una tensione.
“È come se l’acqua danzasse con le onde, e questa perturbazione mirata crea slancio che rilascia le molecole d’acqua, e noi le vediamo agitarsi in goccioline.”
Per adsorbire l’acqua, hanno usato diversi tipi di idrogel AWH PAM‑LiCl con elasticità variabile, tutti contenenti ioni litio e cloruro per catturare l’acqua dall’aria.
Fonte: Nature Communications
Quando è stato testato, il dispositivo è stato in grado di far fuoriuscire abbastanza acqua da asciugare ogni campione in pochi minuti.
L’ispezione degli idrogel con un microscopio elettronico ha anche dimostrato che gli ultrasuoni non hanno danneggiato il gel, rendendo il dispositivo sufficientemente durevole per un uso pratico.
Fonte: Nature Communications
Miglioramento massiccio dell’efficienza
Poiché fino a ora il rilascio dell’acqua guidato dal calore avveniva solo una volta, l’efficienza del processo era molto bassa, con anche il dispositivo più avanzato che raggiungeva appena il 9,5 % di efficienza.
Al contrario, il sistema MIT può produrre acqua ripetutamente durante il giorno, portando a un’efficienza fino al 428 %, ovvero un aumento di 45 volte rispetto all’efficienza precedente.
“Si tratta di quanta acqua riesci a estrarre al giorno,” afferma. “Con gli ultrasuoni, possiamo recuperare l’acqua rapidamente e ciclarla ancora e ancora. Questo può sommarsi a molto al giorno.”
Quindi, mentre il dispositivo sprecava un po’ di energia in calore (effetto Joule), è comunque enormemente più efficiente di tutti gli altri metodi di raccolta d’acqua sviluppati finora.
Scorri per visualizzare →
| Metodo | Fonte energetica | Velocità del ciclo | Efficienza (%) |
|---|---|---|---|
| Raccolta AWH tradizionale basata sul calore | Calore solare | Ore per ciclo | ~9,5% |
| Estrazione ultrasonica MIT | Elettrica (solare/vento) | 2 minuti per ciclo | ~428% |
“Le persone hanno cercato modi per raccogliere acqua dall’atmosfera, che potrebbe essere una grande fonte d’acqua, in particolare per le regioni desertiche e i luoghi dove non c’è nemmeno acqua salata da desalinizzare.
Ora abbiamo un modo per recuperare l’acqua rapidamente ed efficientemente.”
Implementazione reale in regioni aride e remote
Inizialmente, l’applicazione più promettente di questo dispositivo sarà per aree desertiche remote con accesso limitato sia all’energia sia alle infrastrutture idriche.
Contrariamente all’adsorbimento basato sul calore, questo dispositivo richiederà comunque energia elettrica per generare gli ultrasuoni, quindi sarà necessaria una produzione di energia decentralizzata, sia con:
- Pannelli solari come quelli usati negli esperimenti del MIT.
- Con il vento, che potrebbe funzionare di notte, quando l’umidità è ancora più alta, consentendo più cicli di raccolta d’acqua di 2 minuti all’ora.
- Con generazione di energia rinnovabile + sistemi di batterie per funzionare 24/7.
Durante i test per determinare la frequenza di ciclo ideale, i ricercatori hanno scoperto che il ritmo ottimale è far assorbire il materiale per 1 ora, poi usare gli ultrasuoni per rilasciarlo in 2 minuti, e ripetere il ciclo.
Ancora più importante, l’energia richiesta per estrarre l’acqua con gli ultrasuoni è rimasta costante, invece di diminuire lentamente come nei metodi basati sul calore.
Fonte: Nature Communications
Miglioramenti futuri nella raccolta d’acqua atmosferica
Materiali sorbenti di nuova generazione
Questo metodo ha utilizzato idrogel al litio, ma esistono molti altri materiali sorbenti: altri idrogel, strutture metal-organiche, tappeti di micro‑ e nanofibre, e combinazioni di questi materiali.
Ognuno di essi dovrà essere rivalutato e rielaborato per migliorare la compatibilità con il metodo di estrazione alternativo.
La resistenza alla degradazione di questi altri sorbenti dovrà anch’essa essere valutata.
Migliorare l’efficienza degli ultrasuoni
Considerando che la NASA ha effettuato test su attuatori PZT per fino a 100 miliardi di cicli in 580 giorni e non ha riscontrato danni né un calo significativo delle prestazioni, la parte generatrice di ultrasuoni del dispositivo dovrebbe essere altamente durevole.
Tuttavia, il design usato in questo esperimento è relativamente inefficiente nel trasformare energia elettrica in ultrasuoni, con appena il 17‑19 % di efficienza.
Un dispositivo a matrice di trasduttori piezoelettrici compositi 1‑3, invece di un singolo attuatore a forma di anello, potrebbe raggiungere fino al 35 % di efficienza.
Gli ultrasuoni basati su PZT più grandi potrebbero anche essere molto più efficienti rispetto al piccolo dispositivo sperimentale testato qui. Quindi, in generale, un’efficienza del 1 000 % o più potrebbe essere raggiungibile ottimizzando e migliorando il materiale PZT utilizzato.
Verso torri che generano acqua?
Un altro miglioramento importante è che l’estrazione ultrasonica non richiede l’esposizione della superficie del sorbente alla luce solare. Quindi i dispositivi possono essere impilati verticalmente l’uno sopra l’altro senza limitazioni di principio sul numero di file verticali.
Invece di un ampio campo per assorbire la luce solare, si potrebbero costruire grandi torri che convogliano l’acqua da ciascun dispositivo impilato per design più centralizzati.
Aziende che risolvono la carenza d’acqua
XYL Grafico dei prezzi
Insieme a Veolia europea, Xylem è un leader globale nella purificazione dell’acqua, nel trattamento delle acque reflue e nella desalinizzazione. Impiega oltre 23 000 persone (di cui più di 6 000 ingegneri) e opera in 150 paesi, con un focus sugli USA, con oltre 35 000 clienti industriali diretti.
Il suo mercato principale è l’acqua potabile municipale e le acque reflue, ma fornisce anche soluzioni dedicate all’acqua per altri settori come sanità, energia, alimentare & bevande, petrolio & gas, microelettronica, ecc.
Fonte: Xylem
Xylem può fornire le parti critiche brevettate di apparecchiature per pulire o produrre acqua, come generatori di ozono, lampade UV, membrane di desalinizzazione, generatori di acqua ultra‑pura, ecc.
Ma fornisce anche apparecchiature “più semplici” altrettanto critiche per le operazioni legate all’acqua, come turbine, pompe, tubazioni, iniezioni, software, ecc., oltre a servizi di manutenzione, riparazione e installazione, rendendola un punto di riferimento unico per la maggior parte delle applicazioni idriche.
Fonte: Xylem
Il mercato dell’acqua è ancora molto frammentato, con Xylem una delle più grandi aziende del settore, ma detiene ancora “solo” il 10 % di quota di mercato su un mercato indirizzabile di 80 miliardi di dollari.
L’azienda spende circa il 4 % delle sue vendite in R&D. Dovrebbe beneficiare delle nuove normative riguardanti PFAS (sostanze per‑ e polifluoroalchiliche), o “chimici eterni”, con oltre 6 000 impianti di utilità che necessitano di tale trattamento PFAS.
Xylem è cresciuta costantemente, con un utile netto passato da 297 milioni $ nel 2012 a 609 milioni $ nel 2023 mantenendo un margine EBITDA stabile tra 17‑19 %.
Nel complesso, questo rende il profilo di investimento dell’azienda più simile a quello di una società di servizi pubblici in crescita con l’economia generale, piuttosto che a quello di un’azienda industriale ciclica.
Ultime notizie e sviluppi sulle azioni Xylem (XYL)
Studio di riferimento
1. Shuvo, I.I., Díaz‑Marín, C.D., Christen, M. et al. Raccolta d’acqua atmosferica ad alta efficienza abilitata dall’estrazione ultrasonica. Nature Communications 16, 9947 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-65586-2
