Il dissalatore che potrebbe produrre acqua dolce più economica di quella del rubinetto

Lo studio “Extreme salt-resisting multistage solar distillation with thermohaline convection”, pubblicato su Joule da un team di ingegneri del Massachusetts Institute of Technology (MIT), della Ford e dell'università Jiao Tong di Shanghai che puntano a  trasformare l'acqua di mare in acqua potabile con un dispositivo completamente passivo ispirato all'oceano e alimentato dal sole, delinea il progetto di un nuovo sistema di desalinizzazione solare che assorbe l’acqua salata e la riscalda con la luce solare naturale.

Al MIT spiegano che «La configurazione del dispositivo consente all’acqua di circolare in vortici, in modo simile alla circolazione “termoalina” molto più ampia dell’oceano. 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. Nel frattempo, il sale rimanente continua a circolare dentro e fuori dal dispositivo, invece di accumularsi e intasare il sistema. Il nuovo sistema ha un tasso di produzione di acqua e un tasso di espulsione del sale più elevati rispetto a tutti gli altri progetti di desalinizzazione solare passiva attualmente in fase di test».

I ricercatori stimano che «Se il sistema venisse ingrandito fino alle dimensioni di una piccola valigia, potrebbe produrre dai 4 ai 6 litri di acqua potabile all’ora e durare diversi anni prima di richiedere parti di ricambio. A questa scala e con queste prestazioni, il sistema potrebbe produrre acqua potabile a un prezzo e a un costo più economico dell’acqua del rubinetto».

Uno degli autori dello studio, Lenan Zhang del Device Research Laboratory del MIT, sottolinea che «Per la prima volta, è possibile che l'acqua, prodotta dalla luce solare, sia ancora più economica dell'acqua del rubinetto».

Secondo il team di ricercatori, «Un dispositivo su larga scala possa produrre passivamente abbastanza acqua potabile per soddisfare il fabbisogno quotidiano di una piccola famiglia. Il sistema potrebbe anche rifornire comunità costiere off-grid dove l’acqua di mare è facilmente accessibile».

Il nuovo sistema migliora un precedente progetto simile di più fasi, con ogni stadio che conteneva un evaporatore e un condensatore che utilizzava il calore del sole per separare passivamente il sale dall'acqua in entrata. Quel progetto, che il team ha testato sul tetto di un edificio del MIT, convertiva  in modo efficiente l'energia solare per far evaporare l'acqua e po  i condensarla in acqua potabile, ma il sale rimasto si accumulava rapidamente sotto forma di cristalli che dopo pochi giorni avevano intasato il sistema. In un ambiente reale, un utente dovrebbe mantenere le fasi con una certa frequenza, il che aumenterebbe in modo significativo il costo complessivo del sistema.

Così, in un lavoro successivo, i ricercatori sino-americani hanno ideato una soluzione con una configurazione a strati simile, questa volta con una caratteristica aggiuntiva che aiutava a far circolare l’acqua in entrata e il sale rimasto. Sebbene questo design impedisse al sale di depositarsi e accumularsi sul dispositivo, dissalava l'acqua a una velocità relativamente bassa.

Con l’ultimo test il team ritiene di essere arrivato a un progetto che «Raggiunge sia un elevato tasso di produzione di acqua, sia un elevato rifiuto del sale, il che significa che il sistema può produrre acqua potabile in modo rapido e affidabile per un periodo prolungato». La chiave del nuovo design è una combinazione dei due concetti precedenti: un sistema multistadio di evaporatori e condensatori, configurato anche per aumentare la circolazione dell’acqua – e del sale – all’interno di ogni stadio.  Una delle autrici dello studio Zhenyuan Xu dell’Institute of Refrigeration and Cryogenics dell'università Jiao Tong, spiega a sua volta: «Ora, abbiamo introdotto una convezione ancora più potente, simile a quella che vediamo tipicamente nell’oceano, su scale lunghe chilometri».

Le piccole circolazioni generate nel nuovo sistema sono simili alla convezione “termoalina” nell'oceano, un fenomeno che guida il movimento dell'acqua in tutto il mondo, in base alle differenze nella temperatura del mare (“termoalina”) e nella salinità (“alina” ). Zhang aggiunge che «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. E maggiore è la concentrazione di sale, più denso è il liquido e l’acqua più pesante tende a scorrere verso il basso. Imitando questo fenomeno che si estende per un chilometro in una piccola scatola, possiamo sfruttare questa caratteristica per respingere il sale».

Al MIT spiegano come funziona: «Il cuore del nuovo design del team è un unico dispositivo che ricorda una scatola sottile, ricoperto da un materiale scuro che assorbe efficacemente il calore del sole. All'interno, la scatola è divisa in una sezione superiore e inferiore. L'acqua può fluire attraverso la metà superiore, dove il soffitto è rivestito da uno strato evaporatore che utilizza il calore del sole per riscaldare ed evaporare l'acqua a diretto contatto. Il vapore acqueo viene quindi incanalato nella metà inferiore della scatola, dove uno strato di condensazione raffredda ad aria il vapore trasformandolo in un liquido potabile privo di sale. I ricercatori hanno inclinato l'intera scatola all'interno di un recipiente vuoto più grande, quindi hanno collegato un tubo dalla metà superiore della scatola fino al fondo del recipiente e hanno fatto galleggiare il recipiente in acqua salata. Con questa configurazione, l'acqua può spingersi naturalmente verso l'alto attraverso il tubo e nella scatola, dove l'inclinazione della scatola, combinata con l'energia termica del sole, induce l'acqua a ruotare mentre scorre attraverso. I piccoli vortici aiutano a portare l'acqua a contatto con lo strato evaporante superiore mantenendo la circolazione del sale, anziché depositarsi e intasarsi».

Il team ha costruito diversi prototipi, con 1, 3 e 10 stadi, e ne ha testato le prestazioni in acqua con diversa salinità, compresa l'acqua di mare naturale e acqua sette volte più salata. Grazie a questi test, i ricercatori hanno calcolato che «Se ogni stadio fosse ingrandito 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». Data questa durata prolungata e il fatto che il sistema è interamente passivo e non richiede elettricità per funzionare, il team stima che «Il costo complessivo di gestione del sistema sarebbe più economico di quello che costa produrre acqua di rubinetto negli Stati Uniti».

Un altro autore dello studio, Yang Zhong del MIT, evidenzia che  «Abbiamo dimostrato che questo dispositivo è in grado di raggiungere una lunga durata. Questo 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 alla desalinizzazione solare di affrontare i problemi del mondo reale».

Anche per Guihua Yu, che sviluppa sistemi sostenibili di stoccaggio di acqua ed energia presso l’Università del Texas – Austin e che non è stato coinvolto nella ricerca, «Si tratta di un approccio molto innovativo che mitiga efficacemente le sfide chiave nel campo della desalinizzazione. Il progetto è particolarmente vantaggioso per le regioni alle prese con acqua ad alta salinità. Il suo design modulare lo rende particolarmente adatto alla produzione di acqua domestica, consentendo scalabilità e adattabilità per soddisfare le esigenze individuali».