Le foto illustrano come le minuscole goccioline prodotte da una barriera a rete impediscono alle piante di essere colpite dalle goccioline più grandi provenienti dalla pioggia o dall'irrorazione di pesticidi, erbicidi e fertilizzanti. Le goccioline più piccole nell'immagine a destra hanno scarso effetto sulla pianta, mentre le goccioline a sinistra battono pesantemente le sue foglie. Credito:The Varanasi Research Group
Quando si spruzzano vernici o rivestimenti su una superficie, o fertilizzanti o pesticidi sulle colture, la dimensione delle goccioline fa una grande differenza. Gocce più grandi andranno meno alla deriva nel vento, consentendo loro di colpire i bersagli previsti in modo più accurato, ma è più probabile che le goccioline più piccole si attacchino quando atterrano invece di rimbalzare.
Ora, un team di ricercatori del MIT ha trovato un modo per bilanciare queste proprietà e ottenere il meglio da entrambe:spray che non si allontanano troppo ma forniscono minuscole goccioline che si attaccano alla superficie. Il team ha realizzato questo in un modo sorprendentemente semplice, posizionando una rete sottile tra lo spray e il bersaglio previsto per rompere le goccioline in gocce grandi solo un millesimo.
I risultati sono riportati oggi sulla rivista Fluidi per la revisione fisica , in un articolo del professore associato di ingegneria meccanica del MIT Kripa Varanasi, l'ex postdoc Dan Soto, studente laureato Henri-Louis Girard, e altri tre al MIT e al CNRS di Parigi.
Il lavoro precedente di Varanasi e del suo team si era concentrato sui modi per far aderire le goccioline in modo più efficace alle superfici che colpiscono piuttosto che rimbalzare. Il nuovo studio si concentra sull'altra estremità del problema:come far sì che le goccioline raggiungano la superficie in primo luogo. Varanasi spiega che in genere meno del 5% dei liquidi spruzzati si attacca effettivamente agli obiettivi previsti; del 95% o più che viene sprecato, circa la metà è persa alla deriva e non ci arriva nemmeno, e l'altra metà rimbalza via.
Gli atomizzatori, dispositivi in grado di spruzzare liquidi sotto forma di goccioline così piccole da rimanere sospese nell'aria anziché depositarsi, sono parti cruciali di molti processi industriali, compresa la verniciatura e il rivestimento, spruzzare carburante nei motori o acqua nelle torri di raffreddamento, e stampa con goccioline sottili di inchiostro. Il nuovo progresso sviluppato da questo team è stato quello di realizzare lo spray iniziale sotto forma di gocce più grandi, che sono molto meno colpiti dalle brezze e più propensi a raggiungere i loro obiettivi, e poi per creare le goccioline molto più fini appena prima che raggiungano la superficie, inserendo uno schermo a rete in mezzo.
Credito:per gentile concessione del Varanasi Research Group
Sebbene il processo possa applicarsi a molte diverse applicazioni di spruzzatura, "la grande motivazione è l'agricoltura, " Dice Varanasi. Il deflusso di pesticidi che mancano il loro obiettivo e cadono a terra può essere una causa significativa di inquinamento e uno spreco di costosi prodotti chimici. Inoltre, l'impatto di goccioline più fini ha meno probabilità di danneggiare o indebolire alcune piante.
Gli agricoltori già coprono alcuni tipi di colture con reti di tessuto, per proteggersi da uccelli e insetti che divorano le piante, quindi il processo è già familiare e ampiamente utilizzato. Molti tipi di materiali a rete funzionerebbero, dicono i ricercatori:ciò che conta è la dimensione delle aperture nella rete e lo spessore del materiale, parametri che il team ha quantificato con precisione attraverso una serie di esperimenti di laboratorio e analisi matematiche. Per i loro esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato principalmente una rete sottile di acciaio inossidabile comunemente disponibile e poco costosa.
I ricercatori propongono che, dopo aver distribuito la rete sul raccolto, o direttamente sostenuto dagli steli della pianta o supportato su un'intelaiatura, un agricoltore potrebbe semplicemente utilizzare uno spruzzatore convenzionale che produce gocce più grandi, che rimarrebbe in rotta anche in condizioni di vento. Quindi, mentre le gocce raggiungono le piante, sarebbero rotti dalla maglia in goccioline fini, ciascuno di circa un decimo di millimetro di diametro, che aumenterebbero notevolmente le loro possibilità di attaccarsi.
Come bonus extra, la presenza della rete sopra le colture potrebbe anche proteggerle dai danni dei temporali, rompendo anche le gocce di pioggia in goccioline più piccole che stressano meno la pianta quando colpiscono. Danni alle colture da tempeste, che in alcuni casi può ridurre seriamente le rese, può essere ridotto nel processo, dicono i ricercatori. Inoltre, gocce più grandi causano più schizzi, che può portare alla diffusione di agenti patogeni.
Oltre ad essere più efficiente, il processo può anche ridurre il problema della deriva dei pesticidi, che a volte soffiano da un campo all'altro di un contadino, e anche da uno stato all'altro, Varanasi dice, e talvolta finiscono anche nelle case delle persone. "Le persone vogliono risolvere questo problema. Stanno cercando soluzioni".
Credito:per gentile concessione del Varanasi Research Group
Lo stesso principio potrebbe essere applicato ad altri usi, Girard fa notare, come l'irrorazione di acqua nelle torri di raffreddamento come quelle utilizzate per le centrali elettriche e molti impianti industriali o chimici. L'uso di una rete sotto le testine di nebulizzazione in tali torri "può creare goccioline più fini, che evaporano più velocemente e forniscono un migliore raffreddamento, " dice. L'efficienza di raffreddamento è correlata alla superficie della goccia, che è tre ordini di grandezza maggiore con le goccioline più fini, lui dice.
In lavori recenti, Varanasi e il suo team hanno trovato un modo per recuperare gran parte dell'acqua che si perde per evaporazione da tali torri di raffreddamento, utilizzando un diverso tipo di rete sopra le torri. La nuova scoperta potrebbe essere combinata con quel metodo, migliorando così l'efficienza della centrale elettrica sia sul lato di ingresso che di uscita.
Per la verniciatura e per l'applicazione di altri tipi di rivestimenti, più fini sono le goccioline, meglio coprono e aderiscono, Girard dice, quindi il processo potrebbe migliorare la qualità e la durata dei rivestimenti.
Mentre la maggior parte dei metodi di atomizzazione esistenti si basano sull'alta pressione per forzare il liquido attraverso un'apertura stretta, che richiede energia per creare la pressione, questo metodo è puramente passivo e meccanico, dice Girard. "Qui, lasciamo che la mesh esegua l'atomizzazione essenzialmente gratuitamente."