Acqua desalinizzata a costi bassissimi e con l’energia solare: ecco l’ultima scoperta del MIT

Gli ingegneri del MIT e cinesi 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 pubblicato oggi sulla rivista Joule, il team descrive il progetto di un nuovo sistema di desalinizzazione solare che raccoglie l’acqua salata e la riscalda con la luce naturale del sole.

La configurazione del dispositivo consente all’acqua di circolare in vortici, in modo simile alla circolazione “termoalina” dell’oceano, molto più ampia. Questa circolazione, combinata con il calore del sole, fa evaporare l’acqua, lasciando il sale. Il vapore acqueo così ottenuto può essere condensato e raccolto come acqua pura e potabile. Nel frattempo, il sale residuo continua a circolare attraverso e fuori dal dispositivo, anziché accumularsi e intasare il sistema.

Circolazione termoalina

Il nuovo sistema ha un tasso di produzione dell’acqua e di rigetto del sale più elevato rispetto a tutti gli altri concetti di desalinizzazione solare passiva attualmente in fase di sperimentazione.

I ricercatori stimano che se il sistema fosse scalato fino alle dimensioni di una piccola valigia, potrebbe produrre circa 4-6 litri di acqua potabile all’ora e durare diversi anni prima di richiedere parti di ricambio. A queste dimensioni e prestazioni, il sistema potrebbe produrre acqua potabile a una velocità e a un prezzo inferiori a quelli 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”, afferma Lenan Zhang, ricercatore del Device Research Laboratory del MIT.

Il team prevede che un dispositivo in scala maggiore possa 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.

Tra i coautori dello studio di Zhang figurano lo studente laureato del MIT Yang Zhong e Evelyn Wang, professore di ingegneria Ford, insieme a Jintong Gao, Jinfang You, Zhanyu Ye, Ruzhu Wang e Zhenyuan Xu della Shanghai Jiao Tong University in Cina.

Prototipo del MIT

Una potente sistema convezione

Il nuovo sistema del team migliora il progetto precedente: un concetto simile di strati multipli, chiamati stadi. Ogni stadio conteneva un evaporatore e un condensatore che usavano il calore del sole per separare passivamente il sale dall’acqua in entrata. Questo progetto, che il team 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 avrebbe dovuto posizionare frequentemente delle fasi, aumentando in modo significativo il costo complessivo del sistema.

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 un tasso relativamente basso.

Con l’ultima iterazione, il team ritiene di aver raggiunto un progetto che consente di ottenere sia un’elevata produzione di acqua che un’elevata reiezione del sale, il che significa che il sistema può produrre rapidamente e in modo affidabile acqua potabile 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 introduciamo una convezione ancora più potente, simile a quella che vediamo tipicamente nell’oceano, su scale chilometriche”, spiega Xu.

Le piccole circolazioni generate dal nuovo sistema del team sono simili alla convezione “termoalina” dell’oceano, un fenomeno che determina il movimento dell’acqua in tutto il mondo, basato sulle differenze di temperatura (“termo”) e salinità (“haline”) del mare.

“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”, spiega Zhang. “Imitando questo fenomeno di dimensioni chilometriche in una piccola scatola, possiamo sfruttare questa caratteristica per respingere il sale”.

Si può spillare direttamente acqua dolce da quella salata

Il cuore del nuovo progetto del team è un singolo stadio che assomiglia a una scatola sottile, ricoperta da un materiale scuro che assorbe efficacemente il calore del sole. All’interno, la scatola è separata in una sezione superiore e una inferiore. L’acqua può fluire attraverso la metà superiore, dove la superficie superiore 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 posizionato 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 hanno fatto galleggiare il recipiente in acqua salata.

In questa configurazione, l’acqua può salire naturalmente attraverso il tubo e raggiungere la scatola, dove l’inclinazione della scatola, combinata con l’energia termica del sole, induce l’acqua a vorticare mentre scorre. Questi vortici da un lato rinnovano sempre l’acqua che è a contatto con la superificie di evaporazione dall’altro il movimento impedisce la creazzione di depositi di sale nella scatola. 

L’équipe ha costruito diversi prototipi, con uno, tre e 10 stadi, e ne ha testato le prestazioni in acqua di salinità variabile, compresa l’acqua marina naturale e quella sette volte più salata.

Da questi test, i ricercatori hanno calcolato 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 team stima che il costo complessivo di gestione del sistema sarebbe inferiore a quello della produzione di acqua di rubinetto negli Stati Uniti.

“Dimostriamo che questo dispositivo è in grado di raggiungere una lunga durata”, afferma Zhong. “Ciò significa che, per la prima volta, è possibile che l’acqua potabile prodotta dalla luce solare sia più economica dell’acqua del rubinetto. Questo apre la possibilità che la desalinizzazione solare affronti i problemi del mondo reale”.