Un nuovo aerogel per raccogliere l’acqua atmosferica

Il mondo è sull’orlo di una emergenza idrica. Le stime indicano che entro il 2025 metà della popolazione mondiale potrebbe risiedere in aree con scarsità d’acqua. In risposta a questa sfida, i ricercatori dell’Università Nazionale di Singapore (NUS) hanno sviluppato un nuovo aerogel progettato per migliorare l’efficienza della raccolta dell’acqua atmosferica.

Questo progetto, guidato dal Professore Associato Tan Swee Ching del Dipartimento di Scienza dei Materiali e Ingegneria del College of Design and Engineering della NUS, offre una soluzione pratica al problema pressante della scarsità di acqua dolce, in particolare nelle regioni aride.

L’aerogel è in grado di assorbire l’umidità dall’aria fino a circa 5,5 volte il suo peso, mantenendo le sue prestazioni in un’ampia gamma di livelli di umidità, ed è efficace anche in condizioni di umidità relativa del 20%, rendendolo adatto a diversi ambienti. A dimostrazione dell’applicabilità dell’aerogel, il team di ricerca lo ha integrato in un generatore d’acqua atmosferico autonomo a energia solare che raccoglie e rilascia in modo efficiente l’acqua dolce senza richiedere fonti di energia esterne.

Sfruttare l’atmosfera

Si stima che l’atmosfera terrestre contenga 13.000 trilioni di litri d’acqua, un serbatoio non sfruttato che potrebbe potenzialmente alleviare la carenza idrica in molte regioni aride e soggette a siccità in tutto il mondo. Tuttavia, la sfida è sempre stata quella di convertire in modo efficiente il vapore acqueo in una risorsa utilizzabile, considerando la variabilità delle condizioni atmosferiche e i requisiti energetici delle tecnologie attuali.

La raccolta atmosferica dell’acqua basata sull’assorbimento (SAWH) impiega sorbenti per estrarre l’acqua dall’aria, presentando una soluzione a basso consumo energetico e di facile utilizzo applicabile a diversi ambienti, comprese le regioni con risorse limitate. Nonostante il suo potenziale, il SAWH si scontra con le sfide poste dai sorbenti convenzionali, come l’allumina attivata, i gel di silice e le zeoliti, che hanno un assorbimento inadeguato dell’acqua o richiedono temperature elevate per il rilascio dell’acqua. Sebbene i sorbenti più recenti, tra cui i sali igroscopici e le strutture metallo-organiche, migliorino questi aspetti, devono affrontare problemi come la deliquescenza e l’agglomerazione, che ne compromettono l’efficienza e la capacità di assorbimento dell’acqua. Inoltre, i dispositivi SAWH sono generalmente incapaci di sostenere più di un ciclo di cattura-rilascio dell’acqua al giorno, limitando la loro utilità per la produzione di acqua dolce continua e su larga scala.

Per ovviare a queste limitazioni, i ricercatori del NUS hanno sfruttato la loro creatività per creare un materiale più adattabile ed efficiente dal punto di vista energetico per il SAWH. Convertendo il cloruro di magnesio in un complesso di magnesio super igroscopico e incorporandolo in aerogel composti da alginato di sodio e nanotubi di carbonio, hanno sviluppato un aerogel composito che supera gli inconvenienti delle tecnologie precedenti.

Come una spugna, l’aerogel assorbe il vapore acqueo direttamente dall’aria nella sua struttura porosa, dove si condensa e viene immagazzinato fino al momento del bisogno. Quando viene esposto alla luce del sole o a un leggero aumento della temperatura ambiente (circa 50 °C), l’aerogel rilascia l’acqua immagazzinata sotto forma di acqua fresca e liquida. Il processo è facilitato dalla composizione unica dell’aerogel, che combina le proprietà di attrazione dell’umidità del complesso di magnesio con le proprietà termiche dei nanotubi di carbonio, consentendo un rapido assorbimento e rilascio dell’acqua.

Tra le proprietà chiave dell’aerogel vi è l’elevata capacità di assorbimento dell’acqua – circa 5,5 volte il suo peso al 95% di umidità relativa e il 27% del suo peso al 20% di umidità relativa, tipica dei climi desertici. Inoltre, la sua struttura robusta consente un uso ripetuto senza perdita di efficienza. La produzione è anche economica: le materie prime necessarie per produrre un metro quadrato di aerogel costano solo 2 dollari.

“L’aerogel presenta una rapida cinetica di assorbimento/desorbimento con 12 cicli al giorno al 70% di umidità relativa, equivalenti a un rendimento idrico di 10 litri per chilogrammo di aerogel al giorno”, ha dichiarato il Prof. Tan. “I nanotubi di carbonio svolgono un ruolo cruciale nel potenziare l’efficienza di conversione fototermica dell’aerogel, consentendo un rilascio più rapido dell’acqua con un consumo energetico minimo”.

Dall’idea alla pratica

I ricercatori hanno anche progettato e costruito un generatore d’acqua atmosferica autonomo e azionato dall’energia solare che incorpora due strati del nuovo aerogel. Ogni strato si impegna alternativamente nel ciclo di assorbimento/desorbimento dell’acqua, operando senza alcun apporto di energia esterna. Questa configurazione dimostra la praticità dell’aerogel nel facilitare la produzione continua di acqua dolce – una caratteristica vantaggiosa nelle regioni sottosviluppate o nelle aree prive delle necessarie infrastrutture per l’acqua pulita.

Le potenziali applicazioni di questa tecnologia sono vaste e comprendono il raffreddamento evaporativo e la raccolta di energia, il rilevamento intelligente e l’agricoltura urbana.

Fonte articolo ed immagini: Grabbing water from the air: NUS researchers develop advanced aerogels for autonomous atmospheric water harvesting