La tecnologia coreana ripensa, in un sol colpo, il nesso tra acqua dolce e idrogeno
Garantire acqua pulita ed energia sostenibile è una delle sfide più urgenti del nostro tempo. Ma c’è un paradosso che da decenni frena soluzioni degne di nota: per purificare l’acqua serve energia, per produrre energia (in particolare nei processi industriali) serve acqua. Due problemi decisamente interconnessi, raramente affrontati insieme. Ora, un gruppo di ricercatori della Seoul National University (SNU) propone un cambio di prospettiva radicale: un sistema compatto in grado di produrre acqua dolce e idrogeno gassoso simultaneamente, all’interno di un unico modulo elettrochimico.
La ricerca, guidata dal professor Sung Jae Kim del Dipartimento di Ingegneria elettrica e informatica della SNU, è stata presentata il 28 novembre scorso sulla rivista Nature e si basa su un fenomeno nanoelettrocinetico noto come polarizzazione della concentrazione ionica (ICP). Il risultato non è soltanto un nuovo metodo di purificazione dell’acqua, ma una piattaforma che recupera parte dell’energia impiegata trasformandola in idrogeno: un vettore energetico pulito e versatile.
“L’importanza fondamentale di questa ricerca è che dimostra un sistema in grado di affrontare simultaneamente le sfide idriche ed energetiche, anziché gestirle separatamente”, ha dichiarato Sung Jae Kim. “Prevediamo di espandere ulteriormente il design modulare per un’implementazione su larga scala, in modo che chiunque, sia nelle zone colpite da calamità naturali che sui veicoli spaziali, possa facilmente garantire sia l’acqua che l’energia anche in ambienti estremi”.
Un Unico Processo, Due Risorse Fondamentali
Il cuore del sistema è una membrana a scambio cationico (CEM), attraverso la quale viene applicato un campo elettrico. Quando ciò accade, gli ioni presenti nell’acqua si separano spontaneamente in due regioni distinte: una zona di arricchimento ionico e una zona di deplezione ionica (povera di sali e contaminanti). Questo fenomeno (ICP) permette di rimuovere non solo il sale, ma anche metalli pesanti, particolato fine e biocontaminanti. La vera novità è che, mentre da un lato della membrana si ottiene acqua purificata, dall’altro gli ioni idrogeno (H⁺) ricevono elettroni all’elettrodo e vengono ridotti a idrogeno gassoso (H₂). In altre parole, un singolo processo elettrochimico svolge due funzioni che, fino ad oggi, richiedevano sistemi separati: desalinizzazione ed elettrolisi.
A differenza di tecnologie consolidate come l’osmosi inversa (che necessita di pompe ad alta pressione) o l’elettrodialisi, che richiede complessi sistemi di membrane anioniche e cationiche, il sistema ICP utilizza una sola membrana, senza componenti ingombranti né infrastrutture pesanti. Questo lo rende essenzialmente più leggero, semplice e adatto alla miniaturizzazione.
Dal Micro al “Meso”: la Prova Sperimentale
Per dimostrare la validità del concetto, il team di Kim ha iniziato con un dispositivo microfluidico, che ha consentito di visualizzare simultaneamente la formazione di bolle di idrogeno e la comparsa di zone di acqua impoverita di ioni, utilizzando imaging a fluorescenza e indicatori di pH: la rimozione degli ioni è stata confermata anche tramite cromatografia ionica.
Il passo successivo è stato il ridimensionamento del sistema a una piattaforma mesoscalare, grande più o meno quanto un dito, realizzata tramite stampa 3D. In questa configurazione, il dispositivo ha prodotto acqua purificata in modo stabile e idrogeno gassoso nell’ordine di diversi millilitri all’ora.
Un dato particolarmente significativo riguarda l’efficienza energetica: circa l’8-10% dell’energia elettrica utilizzata per la purificazione viene recuperata sotto forma di idrogeno. La produzione di gas aumenta linearmente con l’aumentare della corrente applicata, dimostrando la fattibilità del ridimensionamento del sistema.
Il Delicato Equilibrio tra Sodio e Protoni
Dal punto di vista scientifico, uno degli aspetti più complessi affrontati nello studio riguarda la competizione tra ioni sodio (Na⁺) e ioni idrogeno (H⁺) all’interno della membrana. Il trasporto di sodio favorisce la purificazione dell’acqua, mentre quello dei protoni è essenziale per la produzione di idrogeno. Controllare questo equilibrio è basilare per massimizzare entrambe le prestazioni.
Gli esperimenti hanno mostrato che, aumentando la corrente applicata, il trasporto di H⁺ diventa progressivamente dominante rispetto a quello di Na⁺, migliorando l’efficienza della produzione di idrogeno senza compromettere la desalinizzazione. Una strategia semplice ma efficace che apre la strada a un controllo preciso dei processi nanoelettrocinetici.
“Una delle principali scoperte di questa ricerca è che il trasporto di ioni che si verifica durante la purificazione può essere sfruttato per recuperare energia contemporaneamente”, ha osservato Jihee Park, primo autore dello studio. “Questo lavoro apre la possibilità di realizzare purificatori su piccola scala che si autoalimentano parzialmente”.
Applicazioni Dove Servono Davvero
Il valore di questa tecnologia emerge soprattutto in contesti dove acqua ed energia sono scarse o difficili da trasportare. Il design modulare consente di aumentare la capacità semplicemente collegando più unità in parallelo, “come mattoncini LEGO”, rendendo il sistema adatto sia a piccoli purificatori (per uso domestico) sia a unità mobili importanti per la risposta alle emergenze.
Le applicazioni potenziali includono aree colpite da disastri naturali, siti militari remoti, ambienti sanitari decentralizzati e persino missioni spaziali, dove peso, volume e affidabilità rappresentano fattori critici. L’idrogeno prodotto potrebbe alimentare celle a combustibile, contribuendo a rendere il sistema parzialmente autosufficiente dal punto di vista energetico.
“Questa è una delle prime dimostrazioni della tecnologia nanoelettrocinetica per la produzione simultanea di idrogeno e la desalinizzazione”, ha dichiarato Sungjae Ha di ProvaLabs. “Getta le basi per l’autosufficienza idrica ed energetica”.
Piccoli Sistemi, Grande Impatto
Piuttosto che competere con grandi e dispendiosi impianti centralizzati di desalinizzazione, il sistema ICP sviluppato alla SNU punta a colmare una lacuna diversa e innegabile: quella dei micro-servizi idrici ed energetici, distribuiti, efficienti e adattabili. Una filosofia che potrebbe rivelarsi decisiva in un mondo sempre più esposto a crisi ambientali, climatiche e geopolitiche.
Come ha sintetizzato Sehyuk Yoon, co-autore dello studio: “L’integrazione di desalinizzazione e produzione di idrogeno in un singolo modulo mostra un forte potenziale per i futuri sistemi idrici ed energetici implementabili sul campo”.
Se mai vi sarà una vera rivoluzione dell’acqua e dell’energia, probabilmente, non passerà da intrusivi megaprogetti, bensì da dispositivi discreti…grandi quanto un dito.
Piccoli e agevoli sistemi capaci di trasformare, contemporaneamente, una corrente elettrica in due risorse vitali: acqua e idrogeno, insieme, nello stesso “semplice” gesto tecnologico.
by O. D. B.
Fonti:
