A temperatura ambiente assorbe umidità dall’atmosfera. Portato a circa 70°C, la rilascia. Poi il processo riparte da capo. È questo il meccanismo su cui sta lavorando un team dell’Università di Kiel, in Germania, sfruttando un composto denominato CAU-10-H: durante i test riesce a intrappolare vapore acqueo anche in presenza di aria relativamente secca, arrivando teoricamente, nelle condizioni esaminate, a generare circa 1,8 litri d’acqua giornalieri per ogni chilo di materiale.
Il termine chiave resta però “teoricamente”. Il campione utilizzato negli esperimenti ha un peso di appena 100 milligrammi, paragonabile a una piccola graffetta metallica. Gli scienziati hanno stimato quale sarebbe la resa di un impianto molto più ampio se mantenesse la medesima efficienza. Prima di posizionare un contenitore sotto al dispositivo e attendere che si riempia, dunque, restano da compiere ulteriori passi.
Estrarre acqua da qualcosa che appare secco
Persino nell’aria che percepiamo come asciutta è presente acqua sotto forma di vapore. La sfida consiste nel catturare quelle particelle senza consumare più energia del beneficio ottenuto.
CAU-10-H fa parte della categoria dei MOF, ovvero i Metal-Organic Frameworks. Si possono immaginare come strutture solide percorse da un numero enorme di canali microscopici. La loro superficie interna è talmente vasta che le molecole d’acqua riescono ad aderire alle pareti di questi minuscoli pori. Funziona un po’ come una spugna, con la differenza che qui le cavità sono di dimensioni molecolari e l’acqua viene adsorbita, ovvero si lega alle superfici interne del materiale.
Il CAU-10-H analizzato dal team tedesco inizia a trattenere acqua già con un tasso di umidità relativa vicino al 18%. Riscaldandolo a circa 70°C, le molecole si liberano e possono essere raccolte. In seguito il materiale torna riutilizzabile.
I ricercatori hanno integrato un ulteriore elemento nel sistema: una schiuma di carbonio conduttiva. In sostanza il MOF viene collocato sopra una struttura permeabile all’aria capace di riscaldarsi velocemente quando attraversata da corrente elettrica, sfruttando il cosiddetto effetto Joule. Lo stesso fenomeno, semplificando molto, che rende calda una resistenza elettrica.
Il calore raggiunge così direttamente il materiale, senza dover riscaldare gradualmente l’intero apparecchio. Nei test questa soluzione ha tagliato fino al 51% la durata della fase di rilascio dell’acqua, permettendo cicli completi tra 46 e 178 minuti. Il riscaldamento può avvenire anche mediante esposizione alla luce.
La reale capacità di raccolta
A un’umidità relativa del 40%, il composito basato su CAU-10-H ha raccolto fino a 0,17 grammi d’acqua per ogni grammo di materiale. Ripetendo il ciclo più volte nell’arco della giornata, gli autori stimano per questo materiale una produzione potenziale intorno a 1,83 litri per chilo al giorno. Scendendo al 20% di umidità relativa, il valore si riduce a circa 1,05 litri.
Nella stessa ricerca sono stati testati altri due MOF. Considerando tutti i compositi esaminati, con un’umidità del 40% la produzione teorica ottenuta grazie al riscaldamento attivo oscilla complessivamente tra 1,5 e 2,2 litri per chilo al giorno. Il materiale più performante tra quelli provati è risultato MOF-303, con circa 2,18 litri.
Si tratta di una distinzione importante, perché evita di scambiare un risultato ottenuto in laboratorio per un vero e proprio acquedotto tascabile. Gli stessi ricercatori precisano che il passaggio da dispositivi da 100 milligrammi a impianti di grandi dimensioni resta ancora una proiezione fondata su una scalabilità lineare. Occorre verificare cosa accade quando crescono le dimensioni, i flussi d’aria, la condensazione e l’effettiva raccolta dell’acqua.
Anche il concetto di “acqua potabile” merita qualche precisazione. L’Università di Kiel indica proprio la produzione di acqua da bere come traguardo finale della tecnologia, soprattutto pensando alle zone aride e all’area mediterranea. Gli esperimenti pubblicati misurano tuttavia principalmente quanto vapore viene catturato e con quale velocità viene poi rilasciato. Per arrivare effettivamente al bicchiere servono ancora un sistema di condensazione e controlli sulla qualità dell’acqua ottenuta.
Quasi 30 chili prodotti finora
L’altro dato interessante riguarda le quantità. CAU-10-H era già noto da circa quindici anni, ma produrne pochi grammi in laboratorio e fabbricarne abbastanza per costruire una macchina funzionante sono due questioni molto diverse.
In un secondo lavoro pubblicato su Industrial & Engineering Chemistry Research, il gruppo coordinato da Kalle Mertin ha impiegato un reattore pilota da 750 litri, ottenendo 27,5 chilogrammi di CAU-10-H essiccato, con una resa dell’88% circa. È la prima volta che questo materiale viene prodotto su tale scala.
I ricercatori hanno poi elaborato stime per un ipotetico impianto industriale. In uno scenario da 1.000 tonnellate annue, calcolano un costo di produzione di circa 13,8 dollari per chilo, basandosi sui prezzi del 2022. Ottimizzando il processo e recuperando il solvente, la stima scende a circa 12,1 dollari. Sono valutazioni economiche relative a un impianto teorico, quindi ancora distanti dal prezzo di un eventuale prodotto commerciale.
Il progresso resta comunque significativo: il materiale è passato dai piccoli campioni da laboratorio a decine di chilogrammi. Per una tecnologia destinata a operare su scala di chili e tonnellate, è proprio questo genere di dettaglio, poco appariscente ma cruciale, a fare la differenza.
Un doppio uso: acqua e raffreddamento
CAU-10-H possiede poi una seconda applicazione, apparentemente estranea alla prima: può essere impiegato nei sistemi di raffreddamento ad adsorbimento.
Queste macchine sfruttano la proprietà di un materiale di catturare e rilasciare acqua in base alla temperatura. Il ciclo consente di trasferire calore e generare così un effetto raffreddante. Un aspetto particolarmente interessante è la possibilità di utilizzare calore che altrimenti andrebbe disperso, ad esempio quello generato da alcuni processi industriali, dai data center oppure persino dai forni delle panetterie.
Nelle simulazioni realizzate dai ricercatori, CAU-10-H ha raggiunto in certe condizioni una prestazione di raffreddamento tripla rispetto al gel di silice e circa doppia rispetto al SAPO-34, un altro materiale di riferimento nel settore. Il vantaggio dipende comunque dalla tipologia di impianto e dalle condizioni operative specifiche: non implica che qualunque condizionatore realizzato con questo MOF consumerebbe automaticamente un terzo dell’energia abituale.
È proprio questo che rende affascinanti i due studi se letti insieme. Da un lato c’è un materiale capace di catturare molecole d’acqua disperse nell’aria e restituirle quando viene riscaldato. Dall’altro c’è finalmente materiale sufficiente per iniziare a domandarsi cosa accada al di fuori di una provetta.
Per il momento il rubinetto nel deserto non esiste ancora. Esistono però 27,5 chili di quella singolare “spugna” laddove prima ce n’erano molti di meno. E quando si tenta di portare una tecnologia dal laboratorio alla realtà quotidiana, anche il peso conta parecchio.