Les ingénieurs du MIT ont mis au point un collecteur d’eau atmosphérique qui produit de l’eau douce n’importe où, même dans la Vallée de la Mort, en Californie.
Aujourd’hui, 2,2 milliards de personnes dans le monde n’ont pas accès à l’eau potable. Aux États-Unis, plus de 46 millions de personnes sont confrontées à l’insécurité de l’eau, vivant sans eau courante ou avec une eau impropre à la consommation. Les besoins croissants en eau potable mettent à rude épreuve les ressources traditionnelles telles que les rivières, les lacs et les réservoirs.
Pour améliorer l’accès à une eau potable sûre et abordable, les ingénieurs du MIT exploitent une source non conventionnelle : l’air. L’atmosphère terrestre contient des millions de milliards de litres d’eau sous forme de vapeur. Si cette vapeur peut être capturée et condensée efficacement, elle pourrait fournir de l’eau potable dans des endroits où les ressources en eau traditionnelles sont inaccessibles.
Avec cet objectif en tête, l’équipe du MIT a développé et testé un nouveau collecteur d’eau atmosphérique et a montré qu’il capture efficacement la vapeur d’eau et produit de l’eau potable dans une gamme d’humidités relatives, y compris l’air sec du désert.
Le nouveau dispositif est un panneau vertical noir de la taille d’une fenêtre, fabriqué à partir d’un matériau hydrogel absorbant l’eau, enfermé dans une chambre en verre recouverte d’une couche de refroidissement. L’hydrogel ressemble à du papier bulle noir, avec de petites structures en forme de dôme qui gonflent lorsque l’hydrogel absorbe de la vapeur d’eau. Lorsque la vapeur capturée s’évapore, les dômes se rétractent dans une transformation semblable à celle d’un origami. La vapeur évaporée se condense alors sur le verre, où elle peut s’écouler par un tube, sous forme d’eau propre et potable.
Le système fonctionne entièrement de manière autonome, sans source d’énergie, contrairement à d’autres conceptions qui nécessitent des batteries, des panneaux solaires ou de l’électricité provenant du réseau. L’équipe a fait fonctionner l’appareil pendant plus d’une semaine dans la Vallée de la Mort, en Californie, la région la plus sèche d’Amérique du Nord. Même dans des conditions de très faible humidité, l’appareil a extrait de l’air de l’eau potable à raison de 160 millilitres (environ les deux tiers d’une tasse) par jour.
L’équipe estime que plusieurs panneaux verticaux, disposés en un petit réseau, pourraient alimenter passivement un ménage en eau potable, même dans des environnements désertiques arides. De plus, la production d’eau du système devrait augmenter avec l’humidité, ce qui permettrait de fournir de l’eau potable dans les climats tempérés et tropicaux.
« Nous avons construit un dispositif à l’échelle du mètre que nous espérons déployer dans des régions aux ressources limitées, où même une cellule solaire n’est pas très accessible« , indique Xuanhe Zhao, professeur Uncas et Helen Whitaker d’ingénierie mécanique et d’ingénierie civile et environnementale au MIT. « Il s’agit d’un test de faisabilité pour la mise à l’échelle de cette technologie de récupération de l’eau. Il est désormais possible de construire des panneaux encore plus grands ou parallèles pour fournir de l’eau potable aux gens et avoir un impact réel.«
Zhao et ses collègues présentent les détails de la nouvelle conception de la collecte de l’eau dans un article publié aujourd’hui dans la revue Nature Water. L’auteur principal de l’étude est l’ancien postdoc du MIT « Will » Chang Liu, qui est actuellement professeur adjoint à l’Université nationale de Singapour (NUS). Les coauteurs du MIT sont Xiao-Yun Yan, Shucong Li et Bolei Deng, ainsi que des collaborateurs de plusieurs autres institutions.
Capacité de transport
Les hydrogels sont des matériaux souples et poreux constitués principalement d’eau et d’un réseau microscopique de fibres polymères interconnectées. Le groupe de Zhao au MIT a principalement exploré l’utilisation des hydrogels dans des applications biomédicales, notamment les revêtements adhésifs pour les implants médicaux, les électrodes souples et flexibles, et autocollants d’imagerie non invasive.
« Grâce à nos travaux sur les matériaux mous, nous connaissons très bien une propriété : l’hydrogel absorbe très bien l’eau de l’air », explique Zhao.
Les chercheurs explorent un certain nombre de moyens de récupérer la vapeur d’eau pour en faire de l’eau potable. Parmi les plus efficaces à ce jour, on trouve les dispositifs fabriqués à partir de cadres métallo-organiques (MOF), des matériaux ultra-poreux qui se sont également révélés capables de capter l’eau de l’air sec du désert. Mais les MOF ne gonflent pas et ne s’étirent pas lorsqu’ils absorbent de l’eau, et leur capacité de transport de vapeur est limitée.
L’eau de l’air
Le nouveau collecteur d’eau à base d’hydrogel du groupe résout un autre problème clé des conceptions similaires. D’autres groupes ont conçu des collecteurs d’eau à partir d’hydrogels micro ou nanoporeux. Mais l’eau produite par ces modèles peut être salée, ce qui nécessite un filtrage supplémentaire. Le sel est un matériau naturellement absorbant, et les chercheurs incorporent des sels – généralement du chlorure de lithium – dans l’hydrogel afin d’augmenter l’absorption d’eau du matériau. L’inconvénient, cependant, est que ce sel peut s’échapper avec l’eau lorsqu’elle est finalement recueillie.
La nouvelle conception de l’équipe limite considérablement les fuites de sel. Dans l’hydrogel lui-même, ils ont inclus un ingrédient supplémentaire : le glycérol, un composé liquide qui stabilise naturellement le sel, le gardant dans le gel au lieu de le laisser se cristalliser et s’échapper avec l’eau. L’hydrogel lui-même a une microstructure dépourvue de pores nanométriques, ce qui empêche encore davantage le sel de s’échapper du matériau. Les niveaux de sel dans l’eau recueillie étaient inférieurs au seuil standard pour l’eau potable, et nettement inférieurs aux niveaux produits par de nombreuses autres conceptions à base d’hydrogel.
En plus de régler la composition de l’hydrogel, les chercheurs ont amélioré sa forme. Plutôt que de conserver le gel sous forme de feuille plate, ils l’ont moulé sous forme de petits dômes ressemblant à du papier bulle, qui augmentent la surface du gel et la quantité de vapeur d’eau qu’il peut absorber.
Les chercheurs ont fabriqué un demi-mètre carré d’hydrogel et l’ont encastré dans une chambre en verre ressemblant à une fenêtre. Ils ont recouvert l’extérieur de la chambre d’un film polymère spécial, qui aide à refroidir le verre et stimule l’évaporation de la vapeur d’eau contenue dans l’hydrogel et sa condensation sur le verre.
En novembre 2023, l’équipe s’est rendue dans la Vallée de la Mort, en Californie, et a installé le dispositif comme un panneau vertical. Pendant sept jours, ils ont pris des mesures au fur et à mesure que l’hydrogel absorbait la vapeur d’eau pendant la nuit (le moment de la journée où la vapeur d’eau est la plus élevée dans le désert). Au cours de la journée, avec l’aide du soleil, l’eau récoltée s’est évaporée de l’hydrogel et s’est condensée sur le verre.
Au cours de cette période, le dispositif a fonctionné dans une gamme d’humidités, de 21 à 88 %, et a produit entre 57 et 161,5 millilitres d’eau potable par jour. Même dans les conditions les plus sèches, l’appareil a récolté plus d’eau que d’autres modèles passifs et certains modèles à alimentation active.
« Il s’agit seulement d’un modèle de validation de concept, et il y a beaucoup de choses que nous pouvons optimiser« , indique Liu. « Par exemple, nous pourrions avoir une conception à panneaux multiples. Et nous travaillons sur la prochaine génération du matériau afin d’améliorer encore ses propriétés intrinsèques. »
« Nous imaginons qu’il sera possible un jour de déployer un réseau de ces panneaux, dont l’encombrement est très faible parce qu’ils sont tous verticaux« , conclut Zhao, qui prévoit de tester les panneaux dans de nombreuses régions aux ressources limitées.
Source : MIT
