Stampa 3D di raccoglitori di rugiada che estrae l’acqua dall’aria del deserto
I raccoglitori di rugiada cromoplastica furono immaginati da Frank Herbert nel suo romanzo di fantascienza del 1965 Dune ; sono dei gadget usati dai nativi del deserto del pianeta Arrakis per estrarre l’umidità dall’atmosfera per sostenere la loro agricoltura. Oggi gli uomini impiegano sistemi simili nei nostri deserti per fare esattamente la stessa cosa, come le reti giganti usate nel deserto di Atacama del Cile per raccogliere acqua dalla nebbia per gli agricoltori. La rugiada è una fonte d’acqua ideale poiché è purificata nel processo di evaporazione ed è presente anche in luoghi molto asciutti. In effetti, molte piante e animali raccolgono la rugiada dall’aria, motivo per cui Bharat Bhushan dell’Ohio State University ha deciso di guardare alla vita nel deserto come ispirazione.
Bhushan è un eminente studioso dell’Ohio e Howard D. Winbigler, professore di ingegneria meccanica nello stato dell’Ohio; spiega una prima realizzazione: “Abbiamo pensato: ‘Come possiamo raccogliere l’acqua dall’aria circostante che ci circonda?’ E così, abbiamo osservato le cose nella natura che già lo fanno: il cactus, lo scarafaggio, le erbe del deserto. “
Tutte queste forme di vita raccolgono l’acqua dalla nebbia notturna, utilizzando diverse geometrie per disegnare minuscole gocce d’acqua e indirizzarle verso serbatoi e radici. I coleotteri hanno dossi idrorepellenti sulla schiena che raccolgono gocce d’acqua; superfici piane tra i dossi permettono all’acqua di fluire fino alla bocca dello scarafaggio. Le punte delle erbe del deserto raccolgono le gocce d’acqua che poi cadono lungo i canali dritti fino alle radici. E un cactus raccoglie l’acqua sulle punte dei suoi barbe, che poi dirigono l’acqua lungo le spine coniche alla base del cactus.
Come tale, il team di ricerca ha progettato e stampato in 3D superfici diverse con dossi, punte e canali e le ha collocate in un ambiente chiuso con nebbia simulata creata da un umidificatore commerciale. Le loro osservazioni confermano che i coni raccolgono più acqua che bombole, “il che aveva senso, dato quello che sappiamo sul cactus”, spiegò Bhushan, riferendosi al fenomeno della fisica chiamato gradiente di pressione di Laplace. Le superfici scanalate hanno raccolto circa il doppio di acqua delle superfici non drenate, “il che sembra ovvio in retrospettiva, a causa di ciò che sappiamo sull’erba”, ha commentato Bhushan.
Il materiale superficiale influisce anche sulla raccolta dell’acqua, come riferisce Bhushan: “Il materiale superficiale del coleottero è eterogeneo, con macchie idrofile circondate da regioni idrofobiche, che consente all’acqua di fluire più facilmente alla bocca dello scarafaggio.” La spaziatura dei coni e degli urti era rilevante anche.
“L’approvvigionamento idrico è una questione di fondamentale importanza, soprattutto per le persone delle zone più aride del mondo”, ha affermato Bhushan. “Usando i raccoglitori di rugiada stampati in 3D ispirati alla bio , possiamo aiutare ad affrontare la sfida di fornire acqua pulita alle persone in tutto il mondo, nel modo più efficiente possibile.” La stampa 3D è uno strumento fantastico per questa ricerca poiché può rapidamente e produce in modo economico diverse geometrie di materiali diversi.
Le loro scoperte furono pubblicate sulla rivista Philosophical Transactions della Royal Society .
Raccogliere acqua pulita dall’aria, ispirata alla vita nel deserto
Nuovi studi mostrano opzioni per la raccolta di acqua dalla nebbia,
Gli esseri umani possono cavarsela nei più semplici rifugi, possono grattare insieme un pasto dal più umile degli ingredienti. Ma non possiamo sopravvivere senza acqua pulita. E nei luoghi dove l’acqua scarseggia, ad esempio i deserti del mondo, portare l’acqua alle persone richiede talenti di ingegneria e irrigazione che possono essere ingombranti e costosi.
Una coppia di nuovi studi dei ricercatori della Ohio State University offre una possibile soluzione, ispirata alla natura.
“Abbiamo pensato: ‘Come possiamo raccogliere l’acqua dall’aria circostante che ci circonda?'” , Ha detto Bharat Bhushan , Ohio Eminent Scholar e Howard D. Winbigler, professore di ingegneria meccanica nello stato dell’Ohio . “E così, abbiamo guardato alle cose nella natura che già lo fanno: il cactus, lo scarafaggio, le erbe del deserto.”
Le loro scoperte sono state pubblicate il 24 dicembre sulla rivista Philosophical Transactions della Royal Society . I lavori sono stati scritti insieme al Ph.D. dell’Ohio State. lo studente Dev Gurera e il ricercatore di ingegneria dell’Ohio, Dong Song.
Il lavoro di Bhushan si concentra sulla ricerca di soluzioni ispirate alla natura ai problemi della società . In questo caso, il suo team di ricerca ha guardato nel deserto per trovare la vita che sopravvive nonostante l’accesso limitato all’acqua.
Il cactus, il coleottero e le erbe del deserto raccolgono l’acqua condensata dalla nebbia notturna, raccogliendo goccioline dall’aria e filtrandole in radici o bacini idrici, fornendo sufficiente idratazione per sopravvivere.
Le gocce d’acqua si raccolgono su protuberanze idrorepellenti e idrorepellenti sulla schiena di un coleottero, quindi scivolano verso la bocca dello scarafaggio sulla superficie piatta tra i dossi. Le erbe del deserto raccolgono l’acqua alle loro punte, quindi convogliano l’acqua verso i loro sistemi di radici tramite canali in ciascuna lama. Un cactus raccoglie l’acqua sulle punte appuntite prima di guidare le goccioline lungo le spine coniche alla base della pianta.
La squadra di Bhushan ha studiato ciascuno di questi esseri viventi e si è resa conto che avrebbero potuto costruire un sistema simile, anche se più grande, per permettere all’uomo di tirare l’acqua dalla nebbia notturna o dalla condensa.
Hanno iniziato a studiare i modi in cui diverse superfici potrebbero raccogliere acqua e quali superfici potrebbero essere le più efficienti. Usando stampanti 3D, hanno costruito superfici con dossi e barbe, quindi creato ambienti chiusi e nebbiosi usando un umidificatore commerciale per vedere quale sistema raccolse più acqua.
Hanno imparato che le forme coniche raccolgono più acqua di quanto non facciano forme cilindriche- “il che aveva senso, dato quello che sappiamo sul cactus”, ha detto Bhushan. La ragione per cui ciò accade, ha detto, è a causa di un fenomeno fisico chiamato gradiente di pressione di Laplace. L’acqua si raccoglie sulla punta del cono, quindi scorre lungo il pendio del cono verso il basso, dove c’è un serbatoio in attesa.
Le superfici scanalate muovevano l’acqua più velocemente delle superfici non coperte “, il che sembra ovvio in retrospettiva, a causa di ciò che sappiamo sull’erba”, ha detto Bhushan. Negli esperimenti del team di ricerca, le superfici scanalate hanno raccolto circa il doppio di acqua delle superfici non drenate.
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Abbiamo pensato: ‘Come possiamo raccogliere l’acqua dall’aria circostante che ci circonda? E così, abbiamo guardato alle cose in natura che già lo fanno.
Bharat Bhushan
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Anche i materiali con i coni erano fatti di materia. Le superfici idrofile, quelle che permettevano all’acqua di sollevarsi piuttosto che assorbirla, raccoglievano più acqua.
“Il materiale di superficie del coleottero è eterogeneo, con macchie idrofiliche circondate da regioni idrofobiche, che consente all’acqua di fluire più facilmente alla bocca del coleottero”, ha spiegato Bhushan.
Il team di ricerca ha anche sperimentato una struttura che includeva più coni e ha appreso che più acqua si accumulava quando le gocce d’acqua potevano unirsi tra i coni distanti uno o due millimetri. La squadra sta continuando quegli esperimenti, ha detto Bhushan.
Finora il lavoro è stato svolto a livello di laboratorio, ma Bhushan immagina che il lavoro si sia ingrandito, con strutture nel deserto che potrebbero raccogliere l’acqua dalla nebbia o dalla condensa. Quell’acqua, pensa, potrebbe integrare l’acqua proveniente da sistemi o pozzi pubblici, sia su base casa per casa, sia su base comunitaria.
C’è un precedente per l’idea: nelle aree di tutto il mondo, tra cui il deserto di Atacama in Cile, le reti di grandi dimensioni catturano l’acqua dalla nebbia e la raccolgono in serbatoi per gli agricoltori e altri da utilizzare. Quelle reti potrebbero non essere il modo più efficiente di sfruttare l’acqua dall’aria, ritiene Bhushan.
“L’approvvigionamento idrico è un problema di fondamentale importanza, soprattutto per le persone delle zone più aride del mondo”, ha detto Bhushan. “Usando tecnologie di ispirazione biologica, possiamo aiutare ad affrontare la sfida di fornire acqua pulita alle persone in tutto il mondo, nel modo più efficiente possibile”.
