Étancher la soif du monde aride : Collecteurs d'eau atmosphériques compacts alimentés par des combustibles

Alors que la population mondiale continue d'augmenter et que le changement climatique perturbe les sources d'eau traditionnelles, le besoin d'approches innovantes en matière de production d'eau douce n'a jamais été aussi pressant. Plus de 4 milliards de personnes dans le monde vivent dans des régions soumises au stress hydrique, et les experts prévoient que ce nombre ne fera qu'augmenter au cours des prochaines décennies. Pour relever ce grand défi, il faut des technologies décentralisées et fiables, capables d'extraire l'eau de l'air, même dans les climats les plus secs.

Une solution prometteuse est apparue sous la forme de dispositifs de récupération de l'eau atmosphérique basés sur la sorption (SAWH). Ces systèmes utilisent des matériaux poreux appelés sorbants pour capturer la vapeur d'eau de l'air par un processus cyclique d'adsorption et de désorption. Ces dernières années, des progrès rapides ont été réalisés dans le domaine de la récupération de l'eau atmosphérique, grâce à de nouveaux matériaux sorbants et à des dispositifs de conception innovante qui ont permis de repousser les limites du possible. Cependant, il reste des défis techniques importants à relever avant que le SAWH puisse être déployé à grande échelle comme solution viable pour l'eau douce dans le monde entier.

Des chercheurs de l'université de l'Utah ont relevé ces défis en développant un prototype SAWH unique en son genre, qui s'appuie sur un cycle compact et rapide et sur une désorption alimentée par un combustible pour obtenir une production d'eau sans précédent dans un encombrement réduit. Leur dispositif "compact à cycle rapide alimenté par un combustible" (CRCF) représente un grand pas en avant pour faire du SAWH une réalité pratique, en s'attaquant aux principales limitations qui ont entravé l'adoption à grande échelle de cette technologie prometteuse.

La quête de SAWH compacts et performants
Les dispositifs SAWH fonctionnent en faisant passer les matériaux sorbants par des phases d'adsorption et de désorption. Pendant l'adsorption, le matériau absorbant absorbe la vapeur d'eau de l'air ambiant. Lorsque le matériau absorbant est saturé, il est chauffé pour libérer l'eau capturée, qui est ensuite condensée sous forme liquide. Ce processus cyclique permet aux systèmes SAWH de produire continuellement de l'eau douce à partir de l'air.

Si le concept de base du SAWH est simple, l'optimisation des performances et de la compacité de ces dispositifs s'est avérée difficile. La productivité quotidienne de l'eau (P), qui mesure la quantité d'eau produite par unité de masse de matériau sorbant, est un indicateur clé. Il est essentiel de maximiser la P pour minimiser la taille et le coût des systèmes SAWH. Une autre mesure essentielle est la productivité volumétrique (Pv), qui quantifie la production quotidienne d'eau par unité de volume du système d'adsorption. Une Pv élevée permet d'obtenir des dispositifs SAWH compacts et peu encombrants.

Les innovations récentes de SAWH se sont fortement concentrées sur le développement de nouveaux matériaux sorbants à forte absorption d'eau et à cinétique d'adsorption/désorption rapide. Les cadres métallo-organiques (MOF) sont apparus comme une classe de sorbants particulièrement prometteuse, offrant des capacités exceptionnelles de capture de l'eau. Toutefois, les progrès réalisés dans le domaine des matériaux ne suffisent pas : l'ingénierie au niveau du système joue un rôle essentiel dans l'exploitation du plein potentiel de l'adsorption et de la désorption de l'eau.

"La recherche contemporaine sur le SAWH a souvent négligé l'importance de la conception et de l'intégration du système", explique Sameer Rao, auteur principal de l'étude et professeur adjoint d'ingénierie mécanique à l'université de l'Utah. "L'obtention de performances élevées dans les deux mesures de productivité - P et Pv - est cruciale pour faire du SAWH une technologie pratique et largement déployable".

M. Rao et son équipe ont reconnu qu'une nouvelle approche serait nécessaire pour relever les défis du système SAWH. Leur solution a été le dispositif CRCF, qui s'attaque à deux limitations clés des systèmes SAWH existants : la dépendance à l'égard de l'énergie solaire intermittente pour la désorption et la difficulté d'obtenir une production d'eau compacte et à haute densité.

Alimenter l'avenir de la récupération de l'eau atmosphérique
Les dispositifs SAWH conventionnels utilisent souvent l'énergie solaire ou l'électricité pour alimenter le processus de désorption, au cours duquel l'eau capturée est libérée du matériau sorbant. Cette approche fonctionne bien dans les endroits ensoleillés et connectés au réseau, mais elle présente des limites importantes. Les systèmes alimentés par l'énergie solaire dépendent des heures de clarté et des conditions météorologiques, tandis que les systèmes alimentés par l'électricité nécessitent un stockage d'énergie coûteux pour fonctionner en continu.

Le prototype CRCF développé par Rao et son équipe adopte une approche différente, en utilisant une source de chaleur compacte basée sur la combustion pour alimenter le processus de désorption. En exploitant la densité énergétique élevée des combustibles liquides, le dispositif CRCF peut fonctionner indépendamment du soleil ou du réseau électrique, ce qui permet une production d'eau fiable tout au long de la journée.

"La désorption alimentée par un combustible change la donne pour SAWH", explique M. Rao. "Elle nous permet de découpler le système des sources d'énergie intermittentes, ouvrant ainsi la voie à une collecte de l'eau véritablement autonome et hors réseau."

Le dispositif CRCF comporte un échangeur de chaleur adsorbant (AHX) conçu sur mesure qui abrite le matériau sorbant - dans ce cas, un MOF de fumarate d'aluminium. L'AHX est relié à une source de chaleur alimentée par un combustible via un ensemble de caloducs passifs, qui transfère efficacement la chaleur de la combustion à l'adsorbant pour la désorption. Pendant la phase d'adsorption, l'air ambiant est aspiré à travers l'AHX, ce qui permet au MOF de capturer la vapeur d'eau. Lorsque le sorbant devient saturé, les caloducs fournissent l'énergie thermique nécessaire pour libérer l'eau, qui est alors condensée et recueillie.

Cette approche alimentée par le carburant permet non seulement un fonctionnement continu, mais aussi une conception plus compacte de l'appareil par rapport aux systèmes alimentés par l'énergie solaire. "En éliminant le besoin de panneaux solaires encombrants et de stockage d'énergie, nous pouvons conditionner le dispositif CRCF dans un espace beaucoup plus réduit", explique M. Rao. "C'est un avantage crucial pour le déploiement dans le monde réel, où l'espace et la portabilité sont souvent primordiaux.

Essais du prototype et optimisation des performances
Pour valider le concept du CRCF et identifier les possibilités d'amélioration, les chercheurs ont mené une série d'expériences à l'intérieur et à l'extérieur. Le prototype a d'abord été testé dans un laboratoire contrôlé, où il a atteint une productivité quotidienne de 0,95 kg d'eau par kg de MOF et une productivité volumétrique de 38,5 kg par mètre cube d'AHX par jour.

L'équipe a ensuite emmené le dispositif CRCF à l'extérieur, le soumettant aux conditions difficiles et arides de Salt Lake City, dans l'Utah. Pendant 25 heures, le prototype a effectué cinq cycles continus de collecte d'eau, produisant un total de 266 grammes d'eau liquide. Bien que cette performance extérieure soit légèrement inférieure à celle des tests intérieurs, elle représente néanmoins une réussite significative, compte tenu des conditions environnementales difficiles.

"Les expériences en plein air ont fourni des informations précieuses sur les défis réels de la SAWH, tels que l'impact des basses températures et de l'humidité sur la cinétique d'adsorption", déclare M. Rao. "Ces enseignements seront cruciaux pour l'optimisation de la conception du CRCF.

L'efficacité du processus de condensation de l'eau a été l'une des principales limites identifiées au cours des essais. L'équipe a constaté qu'une part importante de la vapeur d'eau désorbée n'était pas condensée avec succès, ce qui réduisait le rendement global en eau du système. Ce problème est courant dans les dispositifs SAWH, car la présence de gaz non condensables (tels que l'air) peut entraver le processus de condensation.

Pour y remédier, les chercheurs ont exploré des stratégies visant à améliorer l'efficacité de la condensation, notamment en incorporant un système de circulation d'air en boucle fermée. En recirculant le flux d'air désorbé, ils ont pu augmenter le taux de condensation et améliorer les performances globales de la collecte de l'eau.

Sur la base de ces observations expérimentales, l'équipe de recherche s'est tournée vers la modélisation informatique pour explorer l'espace de conception et identifier les possibilités d'optimisation. En utilisant leur cadre de simulation validé, ils ont mené une étude paramétrique pour comprendre les relations entre les variables de conception clés - telles que l'épaisseur des ailettes du sorbant et l'étendue de la troncation de l'adsorption - et les mesures P et Pv du système.

Les résultats de cette étude d'optimisation sont impressionnants. En ajustant soigneusement la géométrie de l'AHX et les modèles de cycle, les chercheurs ont pu projeter un système CRCF capable d'atteindre une productivité d'eau quotidienne de 3,19 kg par kg de MOF et une productivité volumétrique de 718 kg par mètre cube d'AHX par jour. Ces chiffres représentent une amélioration de 1,53 fois et de 2,13 fois, respectivement, par rapport à l'état actuel des dispositifs SAWH à base de MOF sans réfrigération.

"La clé de l'amélioration des performances réside dans notre capacité à recycler rapidement le matériau sorbant et à maximiser la production d'eau par unité de volume", explique M. Rao. "La conception du CRCF, avec sa désorption alimentée par le combustible et son échangeur de chaleur compact, offre la flexibilité nécessaire pour optimiser ces paramètres critiques."

Scaling Up for Global Impact
Le prototype CRCF développé par l'équipe de l'Université de l'Utah n'est pas seulement une preuve de concept ; il représente une étape importante pour faire de SAWH une solution viable pour faire face à la pénurie d'eau dans le monde. En combinant une conception innovante du système avec des matériaux de haute performance, les chercheurs ont démontré le potentiel inexploité de cette technologie.

"Ce qui est vraiment passionnant dans l'approche CRCF, c'est son évolutivité et son adaptabilité", déclare M. Rao. "La nature modulaire de la conception de l'AHX signifie que nous pouvons facilement faire évoluer le système pour répondre aux besoins en eau des communautés de toutes tailles, qu'il s'agisse de ménages individuels ou de grandes municipalités.

En effet, les chercheurs envisagent un avenir où les dispositifs SAWH basés sur le CRCF seront déployés dans le monde entier, offrant un accès fiable à l'eau douce, même dans les régions les plus arides. En découplant le système du soleil et du réseau, ces collecteurs alimentés par des combustibles pourraient changer la donne pour les communautés hors réseau et les opérations de secours en cas de catastrophe, où l'accès à l'eau potable est souvent un défi majeur.

"En fin de compte, notre objectif est de libérer tout le potentiel du SAWH et d'en faire une réalité pratique pour ceux qui en ont le plus besoin", déclare M. Rao. "Le prototype du CRCF est un pas important dans cette direction, et nous sommes impatients de continuer à repousser les limites de ce qui est possible dans le domaine de la récupération de l'eau atmosphérique."

Alors que la crise mondiale de l'eau s'intensifie, des solutions innovantes telles que le dispositif CRCF seront essentielles pour étancher la soif des régions arides du monde entier. En tirant parti de l'abondance de la vapeur d'eau dans l'atmosphère et en s'affranchissant des sources d'énergie intermittentes, ces collecteurs alimentés par des combustibles promettent de fournir un accès fiable et décentralisé à l'eau douce - une étape essentielle vers un avenir plus durable et plus équitable.

Référence(s)

1. DOI :https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.102115

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