Si può estrarre acqua potabile dall'aria usando solo la luce del sole? Era la domanda alla base del nostro progetto nell'ambito del programma TÜBİTAK di sostegno alle start-up di R&S delle PMI (1507), progetto n. 7230226, svoltosi da gennaio 2023 a giugno 2024. In Innorma R&D, la start-up di R&S di Solimpeks con sede nella zona tecnologica InnoPark, abbiamo sviluppato un prototipo autonomo che raccoglie l'umidità atmosferica con l'energia solare, partendo da diversi anni di lavoro su sistemi di raffrescamento ad alta efficienza energetica e su collettori solari.
Come funziona il raccoglitore solare di acqua atmosferica?
Il sistema funziona con un ciclo giorno-notte. Un materiale essiccante adsorbe l'umidità dall'aria durante la notte; durante il giorno un riscaldatore solare ad aria (HGK) scalda l'aria in ingresso per liberare quell'umidità dall'unità essiccante (DNT) e un condensatore raffreddato ad aria (HSY) trasforma il vapore in acqua liquida. Le temperature di rigenerazione arrivano fino a 90°C.
Abbiamo provato tre soluzioni di materiale essiccante:
| Prototipo | Essiccante | Geometria | | --- | --- | --- | | A | Gel di silice granulare | Unità cilindrica | | B | Composito ACFF-LiCl (sviluppato internamente) | Nido d'ape sinusoidale | | C | MOF-303 | Nido d'ape sinusoidale |
Le prove in camera climatica hanno confermato la produzione di acqua, con rese variabili in funzione di umidità e temperatura: risultati che hanno guidato il lavoro di ottimizzazione nel resto del progetto.
Che cosa hanno coperto i quattro pacchetti di lavoro?
WP1: concetto e simulazione. Schemi per i prototipi e le unità di prova, modelli matematici EES per lo scambio di calore e di massa, portate d'aria di 0,03–0,07 kg/s, SolidWorks per la progettazione 3D e ANSYS CFD per affinare le geometrie: cilindrica per A, nido d'ape sinusoidale per B e C. Condizioni al contorno: irraggiamento di 1.000 W/m², temperatura ambiente di 30°C, con l'obiettivo di un rendimento termico del 50% nel collettore solare ad aria.
WP2: approvvigionamento e costruzione. Cloruro di litio, silice e MOF reperiti (con riserve contro i ritardi); il collettore solare ad aria costruito con assorbitori forati; unità essiccanti nelle varianti a cilindro granulare e a composito stratificato; il condensatore come scambiatore a flussi incrociati. I campioni di essiccante hanno mostrato un assorbimento pari a un aumento di peso fino al 18% nel feltro di carbonio.
WP3: validazione e ottimizzazione. Confrontando le simulazioni con le prime prove, abbiamo ottimizzato l'unità essiccante a 300 mm di larghezza con 58 strati a un passo di 4 mm per una bassa perdita di carico, con successive iterazioni sulla geometria delle alette e sui rapporti di LiCl per una cinetica migliore senza corrosione.
WP4: il banco di prova. Prove in camera climatica a 15–35°C e 45–60% di umidità relativa, registrate con sonde PT1000 e datalogger (adsorbimento di notte, desorbimento e condensazione di giorno) più monitoraggio all'aperto. Le correzioni apportate lungo il percorso hanno compreso la sigillatura delle perdite, comandi separati per le ventole e guarnizioni migliori per le serrande.
Quali ostacoli abbiamo incontrato e che cosa abbiamo guadagnato?
Reperire il MOF-303 è stato costoso e complicato; dopo che una rassegna della letteratura ne aveva mostrato le potenzialità a bassa umidità, abbiamo optato per 2 kg. Le simulazioni sovrastimavano i rendimenti: le prove a 50% di UR e 26°C hanno dato meno dei modelli, indicando perdite dovute al vento o un flusso non uniforme. Agglomerazione dell'essiccante e perdite delle guarnizioni hanno comportato riprogettazioni come i diffusori forati. Abbiamo mantenuto snella la realizzazione, destinando il budget alla strumentazione essenziale.
I risultati sono stati concreti. Il collettore solare ad aria ottimizzato ha raggiunto l'obiettivo di rendimento del 50% e gli essiccanti compositi hanno adsorbito 1,2 g/g al 70% di UR. Le rese sono state più alte in condizioni di prova umide, il che indica le coste della Turchia e il Medio Oriente come aree di applicazione promettenti, e abbiamo costruito un know-how duraturo nella validazione CFD e nelle ricette dei compositi. Un dibattito a tarda notte sulla spaziatura degli strati è rimasto impresso: 3 mm si intasavano nei prototipi e il passaggio a 4 mm ha aumentato il flusso del 20%. I sistemi alimentati attivamente si adattano a siti collegati alla rete in località molto umide; l'approccio solare passivo è pensato per l'uso non connesso alla rete, dove dà il meglio di sé.
Chi ha bisogno di acqua dall'aria?
Persone in aree rurali remote dove acqua o energia sono difficili da raggiungere (agricoltori che gestiscono serre, comunità tagliate fuori dalle linee di rifornimento), oltre a zone di calamità, dove l'accesso rapido ad acqua pulita salva vite, e famiglie che affrontano costi elevati per l'acqua in bottiglia o consegnata. Sul piano commerciale, regioni con scarsità d'acqua come il Medio Oriente e l'Africa combinano sole abbondante e fonti di acqua dolce limitate. Il mercato è cresciuto rapidamente e l'attività brevettuale, guidata da Stati Uniti e Cina, è aumentata nettamente dal 2000, lasciando spazio al nostro approccio originale.
Questa iniziativa sostenuta da TÜBİTAK si è conclusa con successo a giugno 2024, confermando il nostro ruolo nelle tecnologie dell'acqua: piccoli impianti alimentati a energia solare possono raccogliere acqua dall'aria. Stiamo cercando progetti pilota: ci contatti se desidera collaborare.
Letture di approfondimento
- Uno studio del 2024 su sistemi solari a sorbenti per ottenere acqua dall'aria, con compositi provati in ambienti aridi
- Una ricerca del 2025 su sorbenti di carbonio poroso derivati da MOF per la raccolta di acqua atmosferica in condizioni aride
- Una valutazione del 2024 delle prestazioni a lungo termine di generatori di acqua atmosferica a compressione di vapore in climi aridi
