Gli ingegneri e i collaboratori del MIT hanno sviluppato un sistema ad energia solare desalinizzazione dispositivo che evita i problemi di intasamento del sale di altri modelli.
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 sulla rivista Joule, il team delinea il progetto per un nuovo sistema di desalinizzazione solare che assorbe l’acqua salata e la riscalda con la luce solare naturale.
La configurazione del dispositivo di desalinizzazione consente all’acqua di circolare in vortici vorticosi, come la circolazione “termoalina” molto più grande 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 di desalinizzazione ha un tasso di produzione di acqua e un tasso di espulsione del sale più elevati rispetto a tutti gli altri concetti 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 prezzo più economico dell’acqua del rubinetto.
Test all’aperto del prototipo alla luce solare naturale. Crediti immagine: Jintong Gao e Zhenyuan Xu / MIT
“Per la prima volta, è possibile che l’acqua, prodotta dalla luce solare, sia ancora più economica dell’acqua del rubinetto”, afferma Lenan Zhang, ricercatore presso il Device Research Laboratory del MIT.
Il team prevede che un dispositivo di desalinizzazione 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.
I coautori dello studio di Zhang includono lo studente laureato del MIT Yang Zhong ed Evelyn Wang, professore di ingegneria della Ford, insieme a Jintong Gao, Jinfang You, Zhanyu Ye, Ruzhu Wang e Zhenyuan Xu dell’Università Jiao Tong di Shanghai in Cina.
Una potente convezione
Il nuovo sistema di desalinizzazione del team migliora il loro progettazione precedente — un concetto simile di strati multipli, chiamati stadi. Ogni stadio 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, ha convertito in modo efficiente l’energia solare per far evaporare l’acqua, che è stata poi condensata in acqua potabile.
Ma il sale rimasto si accumulò rapidamente sotto forma di cristalli che dopo pochi giorni intasarono il sistema. In un ambiente reale, un utente dovrebbe posizionare le fasi con una certa frequenza, il che aumenterebbe in modo significativo il costo complessivo del sistema.
In uno sforzo successivo, loro escogitato 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.
Nell’ultima iterazione, il team ritiene di essere arrivato a un progetto di sistema di desalinizzazione 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 loro 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.
“Introduciamo ora una convezione ancora più potente, simile a quella che vediamo tipicamente nell’oceano, su scale lunghe chilometri”, dice Xu.
Le piccole circolazioni generate nel nuovo sistema del team 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” ).
“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”, spiega Zhang.
“Imitando questo fenomeno che si estende per un chilometro in una piccola scatola, possiamo sfruttare questa caratteristica per respingere il sale”.
Toccando fuori
Il cuore del nuovo design del team è un unico palco che ricorda una scatola sottile, ricoperta 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 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 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 di questo dispositivo di desalinizzazione, con uno, tre e 10 stadi, e ne ha testato le prestazioni in acqua con salinità variabile, compresa l’acqua di mare naturale e acqua sette volte più salata.
Da 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.
Considerando 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.
“Abbiamo dimostrato 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. Ciò apre la possibilità alla desalinizzazione solare di affrontare i problemi del mondo reale”.
“Si tratta di un approccio molto innovativo che mitiga efficacemente le sfide chiave nel campo della desalinizzazione”, afferma Guihua Yu, che sviluppa sistemi sostenibili di stoccaggio di acqua ed energia presso l’Università del Texas ad Austin, e non è stato coinvolto nella ricerca.
“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”.
Scritto da Jennifer Chu
Originalmente pubblicato su The European Times.
