Water Harvesting: una soluzione futuristica per la mancanza d’acqua?

Circa 4 miliardi di persone sulla terra hanno accesso limitato all’acqua e oltre 1.7 milioni persone all’anno muoiono per carenza di acqua o per la contaminazione della stessa. Eppure il nostro pianeta dispone di immense quantità di H2O, non solo nei mari e negli oceani, ma anche nell’atmosfera.

La natura, come sempre, ci insegna che l’acqua presente nell’atmosfera, sotto forma di vapore acqueo, nebbia o nuvole, può essere utilizzata per soddisfare i bisogni fisiologici degli esseri viventi. La condensazione dell’acqua sulle foglie delle piante è un esempio lampante, ma vi sono casi in cui la natura ha sviluppato sistemi che potemmo definire Hi-Tech. Per esempio la speciale geometria delle spine dei cactus che favoriscono la condensazione capillare o ancora la superficie scivolosa e corrugata delle piante di brocca tropicali, che favoriscono la nucleazione e lo scorrere di micro gocce d’acqua. Un sistema ancora più elaborato è quello dello scarafaggio della Namibia, il quale si è evoluto a tal punto da sopravvivere in uno dei deserti meno ospitali del pianeta. La schiena di questo scarafaggio è infatti costituita da gobbette di dimensioni  micrometriche con aree idrofiliche e altre idrofobiche.  In tal modo lo scarafaggio è in grado di raccogliere acqua dalle rare nebbie mattutine e convogliarla alla bocca.

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Uno scarafaggio della Namiba nella posizione di raccolta d’acqua dalla nebbia. Credits: Martin Harvey/Corbis

La possibilità di raccogliere l’acqua atmosferica, pare sia stata già presa in considerazione dagli antichi greci. L’ingegnere russo Zibold scoprì una speciale struttura architettonica nei pressi dell’antica città bizantina di Theodosia e ritenne che fosse un sistema per fornire la città con l’acqua ricavata dall’atmosfera. Per verificare la sua ipotesi Zibold costruì un imponente collettore (20 metri di larghezza), il quale però fu in grado di generare appena 300 litri di acqua al giorno.

Nonostante il fallimento di Zibold vi furono numerosi tentativi in seguito di costruire pozzi d’aria in grado di generare acqua. Ottimi risultati sono stati ottenuti tramite i pozzi d’aria radiativi, un pozzo d’aria radiativo è progettato per raffreddare un sostrato irradiando calore nel cielo notturno. Il sostrato raffreddato permetterà di condensare l’acqua. Questi sistemi però non sono ancora sufficienti per generare acqua potabile in quantità rilevante.

Mappa che mostra l’andamento dell’aridità nel mondo: il colore indica, secondo la legenda, il numero di mesi di aridità nel corrispondente punto della mappa.

Il cosiddetto water harvesting (letteralmente raccolta d’acqua) può essere ottenuto tramite diverse strategie. Le più popolari sono la raccolta diretta dell’acqua dalla nebbia o dalla rugiada e la concentrazione del vapore acqueo con materiali assorbenti. A dire il vero il secondo metodo si sta sviluppando solo negli ultimi anni, grazie ai notevoli progressi ottenuti nel campo dei materiali micro e nanoporosi. Attraverso lo sviluppo di polimeri ibridi organici/inorganici come i così detti MOFs (metal-organic frameworks) si sta studiando la possibilità di raccogliere l’acqua dall’atmosfera a livello di macromolecole e di rilasciarla tramite l’energia termica che si ottiene dal semplice riscaldamento che può essere ottenuto ponendo i materiali al sole. I MOFs sono appunto dei materiali porosi con cavità di diverse forme e dimensione che tramite complicati processi di sintesi chimica possiedono al loro interno cluster con differenti proprietà nei confronti dell’acqua. Il materiale ideale deve avere dei pori di dimensione tale da permettere la condensazione dell’acqua al suo interno grazie alle forze di legame debole che si instaurano fra i mattoni molecolari del MOF e l’acqua. Tuttavia l’assorbimento non deve essere irreversibile, cioè non devono poter avvenire reazioni chimiche fra l’acqua e il MOF, ma semplici interazioni fisiche (tipo forze di Van der Waals o legami a idrogeno). In tal modo è possibile immaginare il rilascio dell’acqua quando il materiale viene riscaldato. Rilascio che ovviamente deve avvenire a temperature non troppo elevate. Il MOF ideale funzionerebbe in un clima desertico, assorbendo acqua durante la notte dove la temperatura si abbassa fino ai 10-15 °C e l’umidità relativa raggiunge il 40% e dovrebbe essere in grado di rilasciare l’acqua durante il giorno quando le temperature raggiungono i  45 °C. Gli studiosi del MIT guidati dal prof. Dincă e della Northwest University guidati dal prof. Fahra hanno raggiunto risultati interessanti ed alcuni prototipi di Water Harvester sono già stati testati e validati con successo. Restano però numerose questioni da risolvere per poter rendere questa tecnologia matura: a) Che prezzo ha la produzione di un MOF? b) Fino a che punto può essere aumentata la capacità dei materiali? c) Che stabilità a lungo termine possiedono i MOF? d) Esiste il rischio che l’acqua contenga tracce di metalli provenienti dai MOF?

Struttura molecolare 3D di un metal-organic framework (MOF).

Il sogno di raccogliere l’acqua dall’atmosfera potrebbe essere realizzato in un futuro non molto lontano, migliorando le condizioni di vita di milioni di persone.  Restano però numerosi sforzi scientifici da compiere, sforzi che possono essere portati a termine solo con il supporto delle grandi agenzie che finanziano la ricerca. Il tema della scarsità dell’acqua certamente non è uno dei più rilevanti dal punto di vista economico, ma probabilmente presto diverrà il più importante in assoluto dal punto di vista sociale e sanitario.

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