Des matériaux intelligents facilitent l'extraction de l'eau propre de l'air

gouttelettes d'eau sur une vitre LUM3N | Unsplash

Fournir à la population mondiale une eau potable propre est l'un des grands défis d'ingénierie du 21ème siècle. Dans certains pays, plus de la moitié de la population n'a pas accès à l'eau potable et, dans le monde, une personne sur trois n'a pas accès à un assainissement de base pour lequel l'eau est cruciale.

C'est une cause importante de diarrhée et de mauvaise santé en général. Selon certaines estimations, plus de 5 000 enfants meurent chaque jour des suites de maladies liées à la diarrhée. Trouver des moyens de produire de l'eau propre est donc un objectif important.

Le problème est que la plupart des techniques sont d'un coût prohibitif pour les pays pauvres. Les approches traditionnelles telles que la distillation, l'osmose inverse et le recyclage des eaux usées sont énergivores et coûteuses. Et les techniques passives qui reposent sur l'énergie solaire nécessitent des matériaux exotiques et des concentrateurs solaires, encombrants et coûteux.

Mais il existe une autre technique qui a le potentiel de changer ce calcul déprimant : la récolte de la rosée. Il s'agit de refroidir l'air afin que la vapeur d'eau qu'il contient se condense pour pouvoir être récupérée. Cette technologie passive recèle un grand potentiel pour la collecte d'eau douce en raison du fait qu'une quantité importante de vapeur d'eau est stockée dans l'atmosphère, expliquent Minghao Dong et ses collègues de l'Université du Sud-Est à Nanjing, en Chine.

Cela soulève des questions évidentes. Quelle quantité d'eau peut-on récolter de cette manière ? Et quelle est la meilleure façon de le récolter ?

Aujourd'hui, Minghao et ses collègues calculent pour la première fois les limites fondamentales de la technologie de récolte de la rosée. Ils décrivent ensuite comment une simple modification des techniques conventionnelles pourrait améliorer considérablement l'utilité et le rendement.

Tout d'abord un peu de contexte. Les récupérateurs de rosée passifs consistent en un condenseur, une feuille de matériau mince et plate qui émet de la chaleur dans le ciel nocturne (les récupérateurs de rosée ne fonctionnent généralement que la nuit). Le condenseur est isolé du sol afin qu'il ne puisse pas absorber la chaleur du dessous.

Comme le condenseur émet de l'énergie la nuit, sa température baisse, refroidissant l'air immédiatement adjacent. Si la température de l'air tombe en dessous du point de rosée (la température à laquelle l'air est saturé de vapeur d'eau), la vapeur se condense.

Bien sûr, l'efficacité de ce processus est sensible à un large éventail de facteurs, en particulier la température ambiante de l'air, son humidité relative et la vitesse à laquelle le condenseur peut émettre de la chaleur.

Au fil des ans, les physiciens ont calculé la quantité d'eau qu'un tel appareil peut produire lorsque le condenseur est un corps noir parfaitement rayonnant. Mais Minghao et ses collègues disent que toutes ces analyses manquent un point évident : elles ne tiennent pas correctement compte de la façon dont les vrais matériaux émettent de la chaleur ou de la façon dont l'atmosphère terrestre transmet certaines longueurs d'onde de lumière plus efficacement que d'autres.

En conséquence, les limites fondamentales de cette technique n'ont pas été correctement clarifiées, ce qui rend difficile d'évaluer les performances des expériences et de déterminer si cette technologie est applicable ou non dans diverses conditions, en particulier dans des zones relativement arides, disent-ils.

Ils ont donc inclus ces facteurs pour la première fois. Cela leur a permis d'évaluer la performance de différents matériaux.

Leur méthode est simple. Minghao et ses collègues soulignent que les longueurs d'onde auxquelles l'atmosphère terrestre est la plus transparente sont bien connues. Ils disent qu'il est logique d'utiliser un condensateur qui émet à ces fréquences plutôt qu'un condensateur qui émet sur toutes les longueurs d'onde. Ils appellent un tel condenseur un émetteur sélectif et le comparent aux performances d'un émetteur noir

Les résultats sont accrocheurs. Les chercheurs affirment que l'adaptation de l'émissivité du condenseur aux caractéristiques transmissives de l'atmosphère permet des améliorations significatives. Par exemple, à une température ambiante de 20 °C (68 °F) avec une humidité relative de 40 %, un émetteur noir ne peut en aucun cas récolter l'eau. En revanche, l'émetteur sélectif pourrait [récolter la rosée au taux de] 13 grammes par mètre carré par heure, disent-ils.

C'est une constatation importante. C'est la différence entre pouvoir récolter la rosée la nuit dans un endroit comme le désert de Mojave et ne pas avoir d'eau du tout.

Les chercheurs ont conçu un condenseur avec les caractéristiques d'émission d'énergie requises. Leur conception se compose de fines couches de trois matériaux différents sur une base en aluminium. Cette structure en couches émet le mieux aux longueurs d'onde auxquelles l'atmosphère est la plus transparente.

C'est un travail intéressant avec le potentiel d'une large application. Minghao et ses collègues affirment que la récolte de la rosée pourrait être bénéfique dans les zones humides et sèches : les premières comprennent les îles et les villes côtières qui sont entourées d'eau de mer non potable, tandis que les secondes comprennent des déserts dépourvus de toute forme d'eau potable.

Et le faible coût de ce type de conception passive est également important. Cette technologie passive de collecte d'eau douce viendrait compléter les technologies existantes, en particulier dans les zones rurales et à faible revenu où le coût est une grande préoccupation, disent-ils.

S'il peut apporter de l'eau potable même à une petite fraction de ceux qui n'en ont pas actuellement, ce sera un gain significatif pour l'humanité.

Au moins une startup, Zéro masse d'eau , essaie déjà de commercialiser un appareil similaire capable de puiser de l'eau dans l'air tandis que d'autres scientifiques continuent de pousser leurs capacités, y compris une collaboration entre des chercheurs de l'Université de Californie, de Berkeley et du MIT (voir Comment tirer de l'eau de l'air mince , même dans les parties les plus sèches du globe).

Réf : arxiv.org/abs/1909.05757 : Limites fondamentales de la technologie de récolte de rosée

cacher