L’atmosphère terrestre contient un océan d’eau, suffisant pour remplir 800 fois le Grand Lac Salé de l’Utah. Extraire une partie de cette humidité est envisagé comme une solution potentielle pour fournir de l’eau potable à des milliards de personnes confrontées à des pénuries chroniques.
Les technologies existantes pour la récolte de l’eau atmosphérique (AWH) présentent de nombreux inconvénients liés à la taille, au coût et à l’efficacité. Cependant, des chercheurs en ingénierie mécanique de l’Université de l’Utah ont découvert des moyens d’améliorer ces technologies, rapprochant ainsi l’humanité de la possibilité d’utiliser l’air comme source d’eau potable dans les régions arides.
L’étude dévoile un prototype compact et rapide de dispositif AWH alimenté par du carburant. Ce prototype en deux étapes repose sur des matériaux adsorbants qui captent les molécules d’eau de l’air non humide, puis appliquent de la chaleur pour libérer ces molécules sous forme liquide. Selon Sameer Rao, auteur principal de l’étude et professeur adjoint au John and Marcia Price College of Engineering, «Les matériaux hygroscopiques ont intrinsèquement une affinité pour l’eau. Ils absorbent l’eau où que vous alliez. L’un des meilleurs exemples est le contenu des couches pour bébés.»
Matériaux hygroscopiques et cadres organométalliques
Sameer Rao compare les cadres organométalliques à des blocs Lego, qui peuvent être réarrangés pour construire toutes sortes de structures. Dans ce cas, ils sont organisés pour créer une molécule idéale pour la séparation des gaz. «Ils peuvent être spécifiquement conçus pour adsorber la vapeur d’eau de l’air et rien d’autre. Ils sont vraiment sélectifs,» explique t-il.
Développé avec l’étudiant diplômé Nathan Ortiz, auteur principal de l’étude, ce prototype utilise du fumarate d’aluminium façonné en panneaux qui collectent l’eau lorsque l’air est aspiré. Ce dernier précise que «Les molécules d’eau elles-mêmes se retrouvent piégées sur les surfaces de notre matériau, et c’est un processus réversible. Au lieu de s’incruster dans le matériau, elles se déposent sur les parois.»
Un gramme de ce matériau possède autant de surface interne que deux terrains de football, selon Sameer Rao. Ainsi, une petite quantité de matériau peut capturer beaucoup d’eau. Et d’ajouter : «Toute cette surface est à l’échelle moléculaire. Et c’est formidable pour nous car nous voulons piéger la vapeur d’eau sur cette surface dans les pores de ce matériau.»
Financement et applications militaires
Le financement de la recherche provient du DEVCOM Soldier Center, un programme du Département de la Défense visant à faciliter le transfert de technologie pour soutenir la modernisation de l’armée. L’intérêt de l’armée pour le projet découle de la nécessité de maintenir les soldats hydratés lorsqu’ils opèrent dans des zones reculées avec peu de sources d’eau.
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«Nous avons spécifiquement étudié cela pour des applications de défense afin que les soldats disposent d’une petite unité de génération d’eau compacte et n’aient pas besoin de transporter une grande gourde remplie d’eau. Ce dispositif produirait littéralement de l’eau à la demande.» précise une nouvelle fois Sameer Rao.
Les scientifiques ont déposé une demande de brevet préliminaire basée sur la technologie, qui répond également à des besoins non militaires. «En concevant le système, nous avons également pensé au problème plus large de l’eau. Ce n’est pas seulement une question de défense, c’est aussi une question civile,» explique encore le chercheur. «Nous pensons en termes de consommation d’eau d’un ménage pour l’eau potable par jour. Cela représente environ 15 à 20 litres par jour.»
Prototype et rendement
Dans cette preuve de concept, le prototype a atteint son objectif de produire 5 litres d’eau par jour par kilogramme de matériau adsorbant. En trois jours sur le terrain, ce dispositif surpasserait le transport d’eau, selon Nathan Ortiz. Dans la deuxième étape du dispositif, l’eau est précipitée en liquide en appliquant de la chaleur à l’aide d’un réchaud de camping standard de l’armée. Cela fonctionne grâce à la nature exothermique du processus de collecte de l’eau.
De nombreuses technologies émergent pour la récolte de l’eau atmosphérique, plus facilement réalisable lorsque l’air est humide, mais aucune n’a abouti à un équipement utilisable dans des environnements arides. L’étudiant croit que son dispositif pourrait être le premier, principalement parce qu’il est alimenté par un carburant dense en énergie comme l’essence blanche utilisée dans les réchauds de camping. L’équipe a décidé de ne pas utiliser de photovoltaïques.
«Si vous dépendez de panneaux solaires, vous êtes limité à une utilisation diurne ou vous avez besoin de batteries, ce qui ajoute du poids. Vous accumulez des défis. Cela prend simplement trop de place. Cette technologie est supérieure dans des conditions arides, tandis que la réfrigération est meilleure en haute humidité» conclut Nathan Ortiz.
L’étude, intitulée « Compact rapid cycling fuel-fired water harvesting device for all-day water production« , a été publiée le 22 juillet dans la revue Cell Reports Physical Science.
