Una soluzione sostenibile per l’energia e l’acqua pulita
Un gruppo di ricercatori dell’Università di Cambridge ha sviluppato un dispositivo innovativo che sfrutta l’energia solare per trasformare l’acqua contaminata o l’acqua di mare in combustibile idrogeno pulito e acqua potabile. Questo dispositivo è particolarmente vantaggioso per le aree con risorse limitate o senza accesso alla rete elettrica, poiché può funzionare con qualsiasi fonte d’acqua aperta e non dipende da fonti di energia esterne.
Innovazione ispirata dalla natura
Il dispositivo si ispira alla fotosintesi, il processo con cui le piante trasformano la luce solare in cibo. Tuttavia, a differenza delle versioni precedenti della “foglia artificiale”, che potevano produrre combustibile idrogeno verde da fonti d’acqua pulita, questo nuovo dispositivo funziona con fonti d’acqua inquinate o di mare e può produrre acqua potabile allo stesso tempo.
I test del dispositivo hanno dimostrato che era in grado di produrre acqua pulita da acque altamente inquinate, acqua di mare e persino dal fiume Cam nel centro di Cambridge. I risultati sono stati riportati sulla rivista Nature Water.
Sfide tecniche e progressi
“Unire la produzione di combustibili solari e la purificazione dell’acqua in un unico dispositivo è complicato”, ha affermato il Dr. Chanon Pornrungroj del Dipartimento di Chimica Yusuf Hamied di Cambridge, co-autore principale dell’articolo. “La scissione dell’acqua solare, dove le molecole d’acqua vengono suddivise in idrogeno e ossigeno, deve iniziare con acqua completamente pura perché qualsiasi contaminante può avvelenare il catalizzatore o causare reazioni chimiche indesiderate”.
“In regioni remote o in via di sviluppo, dove l’acqua pulita è relativamente scarsa e l’infrastruttura necessaria per la purificazione dell’acqua non è facilmente disponibile, la scissione dell’acqua è estremamente difficile”, ha affermato il co-autore principale Ariffin Mohamad Annuar. “Un dispositivo che potesse funzionare utilizzando acqua contaminata potrebbe risolvere due problemi contemporaneamente: potrebbe scindere l’acqua per produrre combustibile pulito e potrebbe produrre acqua potabile”.
Un dispositivo galleggiante alimentato dal sole
Pornrungroj e Mohamad Annuar, entrambi membri del gruppo di ricerca del professor Erwin Reisner, hanno ideato un design che fa proprio questo. Hanno depositato un fotocatalizzatore su una rete di carbonio nanostrutturato che è un buon assorbitore sia di luce che di calore, generando il vapore acqueo utilizzato dal fotocatalizzatore per creare idrogeno. La rete di carbonio poroso, trattata per respingere l’acqua, ha servito sia per aiutare il fotocatalizzatore a galleggiare sia per tenerlo lontano dall’acqua sottostante, in modo che i contaminanti non interferiscano con la sua funzionalità.
Inoltre, il nuovo dispositivo utilizza più energia solare. “Il processo guidato dalla luce per produrre combustibili solari utilizza solo una piccola parte dello spettro solare – c’è un’intera parte dello spettro che rimane inutilizzata”, ha detto Mohamad Annuar.
Il team ha utilizzato uno strato bianco che assorbe gli UV sulla parte superiore del dispositivo galleggiante per la produzione di idrogeno tramite scissione dell’acqua. Il resto della luce nello spettro solare viene trasmesso alla parte inferiore del dispositivo, che vaporizza l’acqua.
“In questo modo, stiamo facendo un uso migliore della luce – otteniamo il vapore per la produzione di idrogeno, e il resto è vapore acqueo”, ha detto Pornrungroj. “In questo modo, stiamo veramente imitando una vera foglia, poiché ora siamo stati in grado di incorporare il processo di traspirazione”.
Impatto globale potenziale
Un dispositivo che può produrre combustibile pulito e acqua pulita contemporaneamente utilizzando solo l’energia solare potrebbe aiutare a risolvere le crisi energetiche e idriche che affliggono molte parti del mondo. Ad esempio, l’inquinamento dell’aria interna causato dalla cottura con combustibili “sporchi”, come il kerosene, è responsabile di più di tre milioni di morti all’anno, secondo l’Organizzazione Mondiale della Sanità. Cucinare con idrogeno verde invece potrebbe aiutare a ridurre significativamente quel numero. E 1,8 miliardi di persone in tutto il mondo mancano ancora di acqua potabile sicura a casa.
“È un design così semplice: in pochi passaggi, possiamo costruire un dispositivo che funziona bene su acqua da una vasta gamma di fonti”, ha detto Mohamad Annuar.
“È così tollerante nei confronti degli inquinanti, e il design galleggiante consente al substrato di funzionare in acque molto nuvolose o fangose”, ha detto Pornrungroj. “È un sistema altamente versatile”.
“Il nostro dispositivo è ancora una prova di principio, ma queste sono le soluzioni di cui avremo bisogno se vogliamo sviluppare un’economia veramente circolare e un futuro sostenibile”, ha detto Reisner, che ha guidato la ricerca. “La crisi climatica e le questioni relative all’inquinamento e alla salute sono strettamente correlate, e sviluppare un approccio che potrebbe aiutare a risolvere entrambi sarebbe un cambiamento radicale per così tante persone”.
La ricerca è stata supportata in parte dal programma Horizon 2020 della Commissione Europea, dal Consiglio Europeo della Ricerca, dal Cambridge Trust, dal Programma di Sponsorizzazione dell’Educazione Petronas e dal Programma Winton per la Fisica della Sostenibilità. Erwin Reisner è membro del St John’s College. Chanon Pornrungroj è membro del Darwin College e Ariffin Mohamad Annuar è membro del Clare College.
