Immagina un futuro in cui ogni casa ha un elettrodomestico che estrae dall'aria tutta l'acqua di cui la famiglia ha bisogno, anche in climi secchi o desertici, usando solo la forza del sole.

Quel futuro potrebbe essere dietro l'angolo, con la dimostrazione di questa settimana di un raccoglitore d'acqua che utilizza solo la luce solare ambientale per estrarre litri d'acqua dall'aria ogni giorno in condizioni di umidità fino al 20%, un livello comune nelle zone aride.

La mietitrice solare, riportato sul giornale Scienza , è stato costruito presso il Massachusetts Institute of Technology utilizzando un materiale speciale:una struttura metallo-organica, o MOF - prodotto presso l'Università della California, Berkeley.

"Si tratta di un importante passo avanti nella sfida di lunga data di raccogliere l'acqua dall'aria a bassa umidità, "ha detto Omar Yaghi, uno dei due autori senior dell'articolo, che detiene la cattedra James e Neeltje Tretter in chimica presso l'UC Berkeley ed è uno scienziato di facoltà presso il Lawrence Berkeley National Laboratory. "Non c'è altro modo per farlo in questo momento, tranne che utilizzando energia extra. Il tuo deumidificatore elettrico di casa "produce" acqua molto costosa."

Il prototipo, in condizioni di umidità del 20-30%, è stato in grado di estrarre 2,8 litri (3 quarti) di acqua dall'aria in un periodo di 12 ore, utilizzando un chilogrammo (2,2 libbre) di MOF. I test sul tetto del MIT hanno confermato che il dispositivo funziona in condizioni reali.

"Una visione per il futuro è avere l'acqua off-grid, dove hai un dispositivo a casa che funziona con il solare ambientale per fornire acqua che soddisfa le esigenze di una famiglia, " disse Yaghi, chi è il direttore fondatore del Berkeley Global Science Institute, co-direttore del Kavli Energy NanoSciences Institute e della California Research Alliance di BASF. "Per me, che sarà reso possibile grazie a questo esperimento. Io la chiamo acqua personalizzata."

Yaghi ha inventato strutture metallo-organiche più di 20 anni fa, combinando metalli come il magnesio o l'alluminio con molecole organiche in un arrangiamento di giocattoli per creare rigidi, strutture porose ideali per lo stoccaggio di gas e liquidi. Da allora, più di 20, 000 diversi MOF sono stati creati da ricercatori di tutto il mondo. Alcuni contengono sostanze chimiche come idrogeno o metano:l'azienda chimica BASF sta testando uno dei MOF di Yaghi in camion alimentati a gas naturale, poiché i serbatoi pieni di MOF contengono tre volte il metano che può essere pompato sotto pressione in un serbatoio vuoto.

Altri MOF sono in grado di catturare l'anidride carbonica dai gas di combustione, catalizzare la reazione dei prodotti chimici adsorbiti o dei prodotti petrolchimici separati negli impianti di lavorazione.

Nel 2014, Yaghi e il suo team dell'UC Berkeley hanno sintetizzato un MOF - una combinazione di zirconio metallico e acido adipico - che lega il vapore acqueo, e suggerì a Evelyn Wang, un ingegnere meccanico al MIT, che uniscono le forze per trasformare il MOF in un sistema di raccolta dell'acqua.

Il sistema progettato da Wang e dai suoi studenti consisteva in più di due libbre di cristalli MOF delle dimensioni di polvere compressi tra un assorbitore solare e una piastra del condensatore, posto all'interno di una camera aperta all'aria. Poiché l'aria ambiente si diffonde attraverso il MOF poroso, le molecole d'acqua si attaccano preferenzialmente alle superfici interne. Gli studi di diffrazione dei raggi X hanno dimostrato che le molecole di vapore acqueo spesso si riuniscono in gruppi di otto per formare cubi.

La luce solare che entra attraverso una finestra riscalda il MOF e spinge l'acqua legata verso il condensatore, che è alla temperatura dell'aria esterna. Il vapore si condensa come acqua liquida e gocciola in un collettore.

"Questo lavoro offre un nuovo modo per raccogliere l'acqua dall'aria che non richiede condizioni di elevata umidità relativa ed è molto più efficiente dal punto di vista energetico rispetto ad altre tecnologie esistenti, "Ha detto Wang.

Questa mietitrice proof of concept lascia molto spazio per miglioramenti, ha detto Yaghi. L'attuale MOF può assorbire solo il 20% del suo peso in acqua, ma altri materiali MOF potrebbero assorbire il 40% o più. Il materiale può anche essere modificato per essere più efficace a livelli di umidità più alti o più bassi.

"Non è solo che abbiamo realizzato un dispositivo passivo che si trova lì a raccogliere l'acqua; ora abbiamo gettato le basi sia sperimentali che teoriche in modo da poter schermare altri MOF, migliaia dei quali potrebbero essere realizzati, per trovare materiali ancora migliori, " ha detto. "C'è un grande potenziale per aumentare la quantità di acqua che viene raccolta. Ora è solo una questione di ulteriore ingegneria".

Yaghi e il suo team sono al lavoro per migliorare i loro MOF, mentre Wang continua a migliorare il sistema di raccolta per produrre più acqua.

"Per avere l'acqua sempre corrente, potresti progettare un sistema che assorba l'umidità durante la notte e la evolva durante il giorno, " ha detto. "O progettare il collettore solare per consentire questo a un ritmo molto più veloce, dove viene spinta più aria. Volevamo dimostrare che se sei tagliato fuori da qualche parte nel deserto, potresti sopravvivere grazie a questo dispositivo. Una persona ha bisogno di una lattina di Coca Cola d'acqua al giorno. È qualcosa che si potrebbe raccogliere in meno di un'ora con questo sistema".