Questa “spugna” hi-tech cattura l’acqua dall’aria e potrebbe aiutare a raffreddare in modo più efficiente (anche i data center)

A temperatura ambiente prende l’acqua dall’aria. Quando viene scaldato fino a circa 70 °C, la lascia andare. Poi ricomincia. È il piccolo ciclo su cui stanno lavorando i ricercatori dell’Università di Kiel, in Germania, con un materiale chiamato CAU-10-H: nelle prove può catturare vapore acqueo anche quando l’aria è piuttosto secca e, nelle condizioni studiate, arrivare teoricamente a produrre circa 1,8 litri d’acqua al giorno per ogni chilogrammo di materiale.

La parola importante, però, è “teoricamente”. Il dispositivo usato negli esperimenti pesa circa 100 milligrammi, più o meno quanto una piccola graffetta. I ricercatori hanno calcolato quanta acqua potrebbe ottenere un sistema molto più grande se continuasse a funzionare con la stessa efficienza. Prima di mettere una tanica sotto e aspettare che si riempia, quindi, manca ancora qualche passaggio.

Come si prende l’acqua da qualcosa che sembra asciutto

Anche nell’aria che ci sembra secca c’è acqua sotto forma di vapore. Il problema è riuscire a catturare quelle molecole senza spendere più energia di quanta ne valga la pena.

CAU-10-H appartiene alla famiglia dei MOF, i Metal-Organic Frameworks. Possiamo immaginarli come solidi attraversati da una quantità enorme di gallerie microscopiche. Hanno così tanta superficie interna che le molecole d’acqua possono aderire alle pareti di questi minuscoli pori. È un po’ come avere una spugna, solo che qui i “buchi” sono su scala molecolare e l’acqua viene adsorbita, cioè si attacca alle superfici interne del materiale.

Il CAU-10-H studiato a Kiel comincia a catturare acqua già con un’umidità relativa intorno al 18%. Quando viene riscaldato a circa 70 °C, le molecole si staccano e possono essere recuperate. Poi il materiale può essere usato di nuovo.

Il gruppo ha aggiunto un altro pezzo al meccanismo: una schiuma di carbonio conduttiva. In pratica il MOF viene sistemato sopra una struttura che lascia passare l’aria e che può scaldarsi rapidamente facendo passare corrente elettrica, grazie al cosiddetto effetto Joule. Lo stesso principio, molto semplificato, per cui una resistenza elettrica diventa calda.

Il calore arriva quindi direttamente dentro il materiale invece di dover scaldare lentamente tutto l’apparecchio. Nelle prove questa soluzione ha ridotto la durata della fase in cui l’acqua viene liberata fino al 51%, consentendo cicli completi compresi fra 46 e 178 minuti. Il riscaldamento può avvenire anche attraverso la luce.

Quanto può raccogliere davvero

A un’umidità relativa del 40%, il composito con CAU-10-H ha catturato fino a 0,17 grammi d’acqua per grammo di materiale. Ripetendo più volte il ciclo durante la giornata, gli autori calcolano per questo materiale una produzione potenziale di circa 1,83 litri per chilogrammo al giorno. Con il 20% di umidità relativa si scende a circa 1,05 litri.

Nello stesso studio sono stati provati anche altri due MOF. Considerando i diversi compositi, a un’umidità del 40% la produzione teorica con riscaldamento attivo arriva complessivamente tra 1,5 e 2,2 litri per chilogrammo al giorno. Il migliore tra quelli testati è stato MOF-303, con circa 2,18 litri.

È una distinzione utile perché evita di trasformare un risultato di laboratorio in un acquedotto portatile. Gli stessi autori scrivono che il passaggio dai dispositivi da 100 milligrammi a sistemi grandi è ancora una proiezione basata su una scalabilità lineare. Bisogna verificare cosa succede quando aumentano dimensioni, flussi d’aria, condensazione e raccolta effettiva dell’acqua.

Anche la definizione di “acqua potabile” va maneggiata con un po’ di cura. L’Università di Kiel indica proprio la produzione di acqua da bere come obiettivo della tecnologia, soprattutto per le regioni aride e mediterranee. Gli esperimenti pubblicati misurano però soprattutto quanto vapore viene catturato e quanto velocemente viene rilasciato. Per arrivare al bicchiere servono poi un sistema di condensazione e controlli sulla qualità dell’acqua prodotta.

Ora ne hanno prodotti quasi 30 chili

L’altro risultato interessante arriva dalla quantità. CAU-10-H era già conosciuto da circa quindici anni, ma produrre qualche grammo in laboratorio e fabbricarne abbastanza per costruire una macchina sono due sport abbastanza diversi.

In un secondo studio pubblicato su Industrial & Engineering Chemistry Research, il gruppo guidato da Kalle Mertin ha usato un reattore pilota da 750 litri e ottenuto 27,5 chilogrammi di CAU-10-H secco, con una resa di circa l’88%. È la prima produzione del materiale su questa scala.

I ricercatori hanno poi provato a fare i conti di una futura fabbrica. In uno scenario da 1.000 tonnellate l’anno, stimano un costo di produzione di circa 13,8 dollari al chilogrammo, usando prezzi del 2022. Con un processo più efficiente e il recupero del solvente, la stima scende intorno ai 12,1 dollari. Sono calcoli economici basati su un impianto ipotetico, quindi ancora lontani dal prezzo che potrebbe avere un prodotto commerciale.

Il salto resta comunque notevole: il materiale è passato dai piccoli campioni del laboratorio a decine di chilogrammi. Per una tecnologia che dovrebbe lavorare a chili e tonnellate, è il genere di dettaglio poco spettacolare che conta parecchio.

E mentre prende acqua, può anche aiutare a fare freddo

CAU-10-H ha poi una seconda possibile vita, apparentemente scollegata dalla prima: può essere usato nei sistemi di raffreddamento ad adsorbimento.

Queste macchine sfruttano il fatto che un materiale cattura e rilascia acqua al variare della temperatura. Il ciclo permette di trasferire calore e quindi produrre raffreddamento. Una delle parti interessanti è che per farlo si può usare calore che altrimenti andrebbe sprecato, per esempio quello prodotto da alcuni processi industriali, dai data center o perfino dai forni dei panifici.

Nelle simulazioni pubblicate dai ricercatori, CAU-10-H ha raggiunto in alcune condizioni una prestazione di raffreddamento fino a tre volte quella del gel di silice e circa doppia rispetto al SAPO-34, un altro materiale di riferimento. Il vantaggio dipende però dal tipo di impianto e dalle condizioni operative: non significa che qualsiasi condizionatore costruito con questo MOF consumerebbe automaticamente un terzo dell’energia.

È questo che rende i due studi interessanti messi uno accanto all’altro. Da una parte c’è un materiale che riesce a prendere molecole d’acqua sparse nell’aria e a restituirle quando viene scaldato. Dall’altra c’è finalmente abbastanza materiale da cominciare a chiedersi cosa succeda fuori da una provetta.

Per ora il rubinetto nel deserto non c’è. Ci sono però 27,5 chili di quella strana “spugna” dove prima ce n’erano molti meno. E, quando si prova a portare una tecnologia dal laboratorio al mondo reale, anche il peso ha il suo peso.

Fonte: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel