Un dispositif compact de récupération d’eau atmosphérique peut produire de l’eau à partir de l’air

L’atmosphère terrestre renferme un océan d’eau, suffisamment liquide pour remplir 800 fois le Grand Lac Salé de l’Utah. L’extraction d’une partie de cette humidité est considérée comme un moyen potentiel de fournir de l’eau potable à des milliards de personnes dans le monde qui sont confrontées à des pénuries chroniques.

Les technologies existantes de récupération de l’eau atmosphérique (AWH) présentent de nombreux inconvénients liés à la taille, au coût et à l’efficacité. Mais de nouvelles recherches menées par des chercheurs en ingénierie de l’Université de l’Utah ont permis d’obtenir des résultats qui pourraient améliorer l’efficacité et rapprocher le monde de l’exploitation de l’air comme source d’eau culinaire dans les zones arides.

L’étude dévoile le premier dispositif compact de chauffage au charbon à cycle rapide du genre. Ce prototype en deux étapes s’appuie sur des matériaux adsorbants qui extraient 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 publiée dans la revue Rapports de cellules Sciences physiques et professeur adjoint de génie mécanique.

« Les matériaux hygroscopiques ont une affinité intrinsèque avec l’eau. Ils absorbent l’eau partout où vous allez. L’un des meilleurs exemples est celui des couches », explique Rao, qui est aussi le père d’un petit garçon. « Nous travaillons avec un type spécifique de matériau hygroscopique appelé structure organométallique. »

Rao a comparé les structures organométalliques à des blocs Lego, qui peuvent être réorganisés pour construire toutes sortes de structures. Dans ce cas, ils sont disposés pour créer une molécule idéale pour la séparation des gaz.

« Ils peuvent le rendre spécifique pour absorber la vapeur d’eau de l’air et rien d’autre. Ils sont vraiment sélectifs », a déclaré Rao. Développé avec l’étudiant diplômé Nathan Ortiz, auteur principal de l’étude, ce prototype utilise du fumarate d’aluminium qui a été façonné en panneaux qui collectent l’eau lorsque l’air est aspiré.

« Les molécules d’eau elles-mêmes se retrouvent piégées à la surface de nos matériaux, et c’est un processus réversible. Ainsi, au lieu de s’incruster dans le matériau lui-même, elles restent collées aux parois », explique Ortiz. « La particularité de ces matériaux absorbants est qu’ils ont une immense surface interne. Les molécules d’eau peuvent donc se retrouver coincées dans de nombreux endroits. »

Selon Rao, un seul gramme de ce matériau peut contenir une surface équivalente à deux terrains de football. Ainsi, une petite quantité de matériau peut capter une grande quantité d’eau.

« Toute cette surface est à l’échelle moléculaire », a déclaré Rao. « Et c’est formidable pour nous car nous voulons piéger la vapeur d’eau sur cette surface dans les pores de ce matériau. »

Le DEVCOM Soldier Center, un programme du ministère de la Défense qui vise à faciliter le transfert de technologies en faveur de la modernisation de l’armée, a soutenu ces recherches. L’intérêt de l’armée pour ce projet est dû à la nécessité de maintenir les soldats hydratés lorsqu’ils opèrent dans des zones reculées où les sources d’eau sont rares.

« Nous avons étudié cette solution spécifiquement pour les applications militaires, afin que les soldats disposent d’une petite unité de production d’eau compacte et n’aient pas besoin de trimballer une grande gourde remplie d’eau », a déclaré Rao. « Cela permettrait de produire littéralement de l’eau à la demande. »

Rao et Ortiz ont déposé un brevet préliminaire basé sur cette technologie, qui répond également à des besoins non militaires.

« En concevant le système, je pense que nous avions également une perspective plus large du problème de l’eau. Ce n’est pas seulement un problème de défense, c’est aussi un problème civil », a déclaré Rao. « Nous pensons en termes de consommation d’eau potable par ménage par jour. Cela représente environ 15 à 20 litres par jour. »

Dans cette démonstration de faisabilité, le prototype a atteint son objectif de produire 5 litres d’eau par jour et par kilogramme de matériau adsorbant. En l’espace de trois jours sur le terrain, cet appareil surpasserait l’eau d’emballage, selon Ortiz.

Dans la deuxième étape de l’appareil, l’eau est précipitée en liquide par application de chaleur à l’aide d’un réchaud de camping militaire standard. Cela fonctionne grâce à la nature exothermique de son processus de collecte d’eau.

« En collectant de l’eau, il libère de petites quantités de chaleur. Et pour inverser le phénomène, nous ajoutons de la chaleur », explique Ortiz. « Nous plaçons simplement une flamme juste en dessous, n’importe quoi pour augmenter la température. Et lorsque nous augmentons la température, nous libérons rapidement les molécules d’eau. Une fois que nous avons un flux d’air très humide, cela facilite grandement la condensation à température ambiante. »

Les technologies naissantes de récupération de l’eau atmosphérique, plus faciles à mettre en œuvre lorsque l’air est humide, abondent, mais aucune n’a abouti à un équipement pouvant être utilisé de manière pratique dans des environnements arides. Ortiz pense que son appareil peut être le premier, principalement parce qu’il fonctionne avec un carburant à forte densité énergétique comme l’essence blanche utilisée dans les réchauds de camping.

L’équipe a décidé de ne pas utiliser de panneaux photovoltaïques.

« Si vous utilisez des panneaux solaires, vous ne pouvez pas les utiliser pendant la journée ou vous avez besoin de batteries, ce qui représente un poids supplémentaire. Vous ne cessez d’accumuler les défis. Cela prend tellement de place », a déclaré Ortiz. « Cette technologie est supérieure dans des conditions arides, tandis que la réfrigération est optimale dans des conditions d’humidité élevée. »