Estrarre acqua dall'aria e rivoluzionare il raffrescamento: questo materiale può farlo ed è pronto per la fase pilota

La crescente aridità e l'innalzamento delle temperature, in particolare nel bacino del Mediterraneo, stanno spingendo la ricerca scientifica verso soluzioni non convenzionali per l'approvvigionamento idrico.

Va proprio in questa direzione lo studio dell'Istituto di Chimica Inorganica dell'Università di Kiel, in Germania, focalizzato sullo sviluppo e la scalabilità di materiali porosi avanzati in grado di catturare l'umidità atmosferica e ottimizzare i sistemi di raffrescamento.

I risultati, pubblicati in due distinti lavori sulle riviste scientifiche Journal of Materials Chemistry A e Industrial & Engineering Chemistry Research, descrivono il superamento di uno dei principali colli di bottiglia della tecnologia: il passaggio dalla sintesi di laboratorio alla produzione su scala industriale.

Il materiale oggetto dello studio, denominato CAU-10-H, appartiene alla classe dei Metal-Organic Frameworks, noti anche con l'acronimo MOF. Si tratta di strutture metallo-organiche caratterizzate da una fitta rete di cavità microscopiche interconnesse che agiscono come vere e proprie spugne su scala molecolare. La chimica fondamentale alla base dei MOF è valsa a Omar Yaghi il Premio Nobel per la Chimica nel 2025.

A differenza dei comuni materiali igroscopici, che richiedono alti tassi di umidità relativa per poter funzionare, il CAU-10-H è straordinariamente efficiente anche in condizioni di estrema secchezza. Il processo di adsorbimento delle molecole d'acqua a temperatura ambiente si attiva infatti non appena l'umidità relativa dell'aria raggiunge o supera la soglia minima del 18%, una percentuale che la maggior parte dei sistemi tradizionali riterrebbe troppo bassa per poter essere sfruttata.

Altrettanto efficiente è il processo inverso di desorbimento, ossia il rilascio dell'acqua precedentemente catturata. Per liberare l'umidità intrappolata è sufficiente riscaldare il materiale a una temperatura di circa 70 °C. Si tratta di una soglia termica talmente bassa da poter essere facilmente raggiunta sfruttando il semplice calore solare o il calore di scarto dei processi industriali, eliminando la necessità di ricorrere a costosi riscaldatori elettrici alimentati dalla rete di distribuzione.

Per accelerare ulteriormente questo ciclo, il team di ricerca guidato dal Professor Norbert Stock ha combinato il materiale con particolari strutture conduttive in carbonio. Il composito risultante può essere riscaldato in modo molto rapido ed efficiente, permettendo al sistema di completare cicli di cattura e rilascio in poche ore. In condizioni di aria secca, questo materiale riesce a incamerare fino a 0,17 grammi di acqua per ogni grammo di MOF utilizzato. Su base giornaliera, questa efficienza si traduce in una resa potenziale di circa 1,8 litri di acqua potabile per ogni chilogrammo di materiale composito impiegato.

Oltre alla generazione di acqua potabile, il CAU-10-H ha dimostrato di avere enormi potenzialità nel settore della climatizzazione ecologica attraverso i sistemi di raffrescamento ad adsorbimento. In questo tipo di applicazioni, il nuovo composto ha registrato prestazioni fino a tre volte superiori rispetto al gel di silice, che rappresenta lo standard industriale storicamente utilizzato per questo scopo.

La vera rivoluzione risiede nella possibilità di alimentare questi impianti di condizionamento utilizzando esclusivamente calore residuo, come quello generato costantemente dai server dei datacenter o dai forni dei panifici. Invece di disperdere questo calore nell'ambiente, lo si può incanalare per attivare il ciclo del CAU-10-H, riuscendo a raffrescare gli spazi di lavoro senza gravare sulla bolletta elettrica e riducendo drasticamente l'impatto ambientale rispetto ai condizionatori tradizionali a compressore.

La vera novità del lavoro coordinato da Norbert Stock, e condotto insieme al primo autore Lasse Wegner e al responsabile della scala pilota Kalle Mertin, non risiede solo nelle proprietà chimiche del materiale, ma nella sua effettiva fattibilità commerciale. Spesso i materiali sintetizzati in laboratorio faticano a trovare uno sbocco reale perché troppo complessi o costosi da produrre in grandi quantità.

Grazie al sostegno economico del Validation Fund dell'Università di Kiel, il team tedesco è invece riuscito a completare la transizione verso la scala pilota, producendo un primo lotto di circa 30 chilogrammi di CAU-10-H. Si tratta di una quantità circa 60 volte superiore a qualsiasi precedente lotto sintetizzato in laboratorio. Parallelamente, un'attenta analisi tecno-economica ha dimostrato che la produzione di questo materiale può assestarsi su costi decisamente competitivi, compresi tra i 12 e i 14 dollari al chilogrammo, rendendo l'applicazione su larga scala finalmente accessibile.