Il nuovo dispositivo low cost per rendere potabile l’acqua di mare

AGI - Gli ingegneri del MIT e della Cina mirano a trasformare l’acqua di mare in acqua potabile con un dispositivo completamente passivo ispirato all’oceano e alimentato dal sole. In un articolo, apparso oggi sulla rivista Joule, la squadra di ricerca ha descritto il progetto di un nuovo sistema di desalinizzazione solare che assorbe acqua salata e la riscalda con la luce solare naturale.

La configurazione del dispositivo consente all’acqua di circolare in vortici vorticosi, in modo simile alla circolazione termoalina dell’oceano, un fenomeno che guida il movimento dell’acqua in tutto il mondo, basato sulle differenze di temperatura e salinità del mare. Questa circolazione, combinata con il calore del sole, fa evaporare l’acqua, lasciando dietro di sé il sale. Il vapore acqueo risultante può quindi essere condensato e raccolto come acqua pura e potabile.

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Nel frattempo, il sale rimanente continua a circolare dentro e fuori dal dispositivo, invece di accumularsi e intasare il sistema. Il nuovo apparato ha un tasso di produzione di acqua e un tasso di espulsione del sale più elevato rispetto a tutti gli altri concetti di desalinizzazione solare passiva attualmente in fase di test.

I ricercatori stimano che, se il sistema fosse scalato fino alle dimensioni di una piccola valigia, potrebbe produrre circa da 4 a 6 litri di acqua potabile all’ora e durare diversi anni prima di richiedere parti di ricambio.

A queste grandezze e prestazioni, il progetto potrebbe produrre acqua potabile a una velocità e a un prezzo inferiore di quello dell’acqua del rubinetto. “Per la prima volta, è possibile che l’acqua prodotta dalla luce solare sia ancora più economica di quella del rubinetto”, ha affermato Lenan Zhang, ricercatore del Device Research Laboratory del MIT.

Secondo le previsioni dei ricercatori, un dispositivo in scala potrebbe produrre passivamente acqua potabile sufficiente a soddisfare il fabbisogno giornaliero di una piccola famiglia. Il sistema potrebbe anche rifornire comunità costiere non collegate alla rete, dove l’acqua di mare è facilmente accessibile.

Il nuovo sistema migliora il progetto precedente, un concetto simile di strati multipli, chiamati stadi. Ogni stadio conteneva un evaporatore e un condensatore che utilizzavano il calore del sole per separare passivamente il sale dall’acqua in entrata.

Le varie fasi di costruzione

Questo progetto, che il gruppo di ricerca ha testato sul tetto di un edificio del MIT, convertiva in modo efficiente l’energia del sole per far evaporare l’acqua, che veniva poi condensata in acqua potabile. Ma il sale rimasto si accumulava rapidamente sotto forma di cristalli che intasavano il sistema dopo pochi giorni. In un ambiente reale, l’utente dovrebbe posizionare frequentemente degli strati, il che aumenterebbe significativamente il costo complessivo.

In un secondo momento, hanno ideato una soluzione con una configurazione a strati simile, questa volta con una funzione aggiuntiva che aiutava a far circolare l’acqua in entrata e il sale residuo. Pur impedendo al sale di depositarsi e accumularsi sul dispositivo, questo progetto desalinizzava l’acqua a una velocità relativamente bassa.

Nell’ultima iterazione, i ricercatori ritengono di aver trovato un progetto in grado di raggiungere sia un’elevata produzione d’acqua che un elevato grado di eliminazione del sale, che significa che il sistema può produrre acqua potabile in modo rapido e affidabile per un periodo prolungato. La chiave del nuovo progetto è una combinazione dei due concetti precedenti: un sistema multistadio di evaporatori e condensatori, configurato per aumentare la circolazione dell’acqua e del sale all’interno di ogni stadio. “Ora presentiamo un progetto ancora più potente, simile a quello che vediamo tipicamente nell’oceano, su scale chilometriche”, ha spiegato Zhenyuan Xu, della Shanghai Jiao Tong University in Cina.

Le piccole circolazioni generate nel nuovo sistema sono simili alla convezione termoalina nell’oceano. “Quando l’acqua di mare è esposta all’aria, la luce solare fa evaporare l’acqua; una volta che l’acqua lascia la superficie, rimane il sale”. Più alta è la concentrazione di sale, più denso è il liquido e l’acqua più pesante vuole scorrere verso il basso”, ha aggiunto Zhang.

“Imitando questo fenomeno di dimensioni chilometriche in una piccola scatola, possiamo sfruttare questa caratteristica per respingere il sale”, ha affermato Zhang. Il cuore del nuovo progetto è un singolo stadio che assomiglia a una scatola sottile, ricoperta da un materiale scuro che assorbe efficacemente il calore del sole. Al suo interno, la scatola è divisa in una sezione superiore e una inferiore.

L’acqua può fluire attraverso la metà superiore, dove il soffitto è rivestito da uno strato evaporativo che utilizza il calore del sole per riscaldare ed evaporare l’acqua a diretto contatto. Il vapore acqueo viene poi convogliato nella metà inferiore della scatola, dove uno strato di condensazione raffredda il vapore in un liquido potabile e privo di sali.

I ricercatori hanno collocato l’intera scatola in posizione inclinata all’interno di un recipiente più grande e vuoto; quindi, hanno collegato un tubo dalla metà superiore della scatola fino al fondo del recipiente e lo hanno fatto galleggiare in acqua salata. In questa configurazione, l’acqua può risalire naturalmente attraverso il tubo e raggiungere il box, la cui inclinazione, combinata con l’energia termica del sole, induce l’acqua a vorticare mentre scorre. I piccoli vortici aiutano a portare l’acqua a contatto con lo strato superiore di evaporazione, mantenendo il sale in circolazione, invece di depositarsi e intasarsi.

La squadra di ricerca ha costruito diversi prototipi, con uno, tre e dieci stadi, e ne ha testato le prestazioni in acque di diversa salinità, compresa l’acqua marina naturale e quella sette volte più salata. Da questi test, gli scienziati hanno rilevato che, se ogni stadio fosse scalato fino a un metro quadrato, produrrebbe fino a 5 litri di acqua potabile all’ora e che il sistema potrebbe desalinizzare l’acqua senza accumulare sale per diversi anni.

Considerando questa durata prolungata e il fatto che il sistema è completamente passivo e non richiede elettricità per funzionare, il gruppo di ricerca stima che il costo complessivo di gestione del sistema sarebbe inferiore a quello della produzione di acqua di rubinetto negli Stati Uniti. “Abbiamo dimostrato che questo dispositivo è in grado di raggiungere una lunga durata”, ha dichiarato Yang Zhong, studente laureato del MIT.

“Ciò significa che, per la prima volta, è possibile che l’acqua potabile prodotta dalla luce solare sia più economica dell’acqua del rubinetto”, ha proseguito Zhong. “Questo apre la possibilità che la desalinizzazione solare affronti i problemi del mondo reale”, ha concluso Zhong