Parti stampate in 3D per arpe da nebbia: raccolta dell’acqua ispirata agli alberi di sequoia

Weiwei Shi ha recentemente presentato una tesi, ” Tree Inspired Water Harvesting “, alla facoltà del Virginia Polytechnic Institute e della State University . In questo studio, Shi e un gruppo di ricerca hanno sviluppato dispositivi unici ispirati agli alberi di sequoia, destinati a raccogliere in modo efficiente l’acqua.

Con l’uso di arpe da nebbia (dispositivi che sembrano arpe ma raccolgono goccioline di umidità dalla nebbia), foglie galleggianti e alberi sintetici, i ricercatori hanno mirato a perfezionare l’efficienza in aerodinamica, deposizione e scorrimento per la raccolta dell’acqua. Le arpe della nebbia erano costituite da una serie verticale di fili, simile agli alberi di sequoia, in grado di manipolare facilmente le goccioline di nebbia, “catturando” o “sparpagliando”. Tali dispositivi possono essere utilizzati in aree con scarsità d’acqua e scarse precipitazioni, predisposte per raccogliere la condensa dalla nebbia. Le aree tipiche in cui potrebbero essere utilizzate includono Cile, Perù, Sudafrica.

(a) Schema delle goccioline di nebbia catturate su un’arpa della nebbia. Foto di (b) l’arpa da nebbia a strato singolo e (c) caso di controllo di una rete a maglie quadrate. (d) Le torri di nebbia generavano una fitta nebbia, sotto la quale venivano poste le mietitrici.

“La carenza idrica è un problema globale. Più di quattro miliardi di persone non hanno abbastanza acqua per almeno un mese dell’anno; cinquecento milioni di loro mancano abbastanza acqua durante tutto l’anno. La raccolta della nebbia è una tecnica utile per raccogliere l’acqua dalla nebbia “, ha affermato Shi. “Nelle foreste di sequoie costiere della California, circa il 34% dell’apporto idrico annuo proveniva da gocciolamenti di nebbia dalle sequoie stesse”.

Alberi sintetici sono stati creati con dischi nanoporosi che rappresentano foglie e tubi che agiscono come condotti di xilema, il tutto nel tentativo di ricreare la sequoia e il suo rapido processo di traspirazione. Le arpe costituite da fili micrometrici erano in grado di raccogliere goccioline di nebbia senza intasare; in effetti, hanno offerto un “miglioramento triplo” rispetto all’uso della rete tradizionale.

I dadi in acciaio inossidabile posizionati sulle aste filettate delle nuove arpe offrivano uno spazio aggiuntivo tra la parte superiore e inferiore del telaio, con due parti stampate in 3D scattate sulle metà superiore e inferiore, spruzzate con Rust-Oleum. Le goccioline caddero in un serbatoio per raccogliere l’acqua, con il pezzo superiore dell’arpa che dirigeva via la nebbia.

Riepilogo del materiale del filo, diametro del filo (D), rapporto del passo da centro a centro tra i fili e il diametro del filo (P / D), coefficiente di tonalità (SC) e numero di Stokes (St) per ciascuna arpa (H1 – H3) e mesh (M1 – M3) utilizzati in questo studio

“Per il design classico della mesh, la mesh di medie dimensioni (M2) ha raccolto circa 1,7 volte più acqua rispetto alla mesh fine (M1) e 1,5 volte più della mesh grossolana (M3). Ciò è dovuto ai suddetti doppi vincoli di intasamento per maglie sottili e inefficiente cattura della nebbia per maglie grossolane “, ha spiegato Shi.

“La capacità dell’arpa di evitare l’intasamento anche su piccola scala è dovuta alla ridotta forza di bloccaggio delle goccioline che si spargono parallelamente all’asse dei fili, rispetto a una rete in cui i fili ortogonali impediscono la linea di contatto. Questo è in qualche modo analogo al noto caso di goccioline che scivolano facilmente parallelamente alle scanalature superidrofobiche, poiché entrambi i casi presentano solo interfacce liquido-aria tra le caratteristiche assiali ed evitano qualsiasi ostacolo ortogonale alla linea di contatto sfuggente. “

Schema del design dell ‘”arpa antinebbia”, in cui i fili orientati verticalmente di diametro D e passo P sono tenuti sotto tensione all’interno di un telaio.

Un modello teorico per l’efficienza aerodinamica (⌘a, equazione 2.1), l’efficienza di deposizione delle goccioline (⌘d, equazione 2.4) e l’efficienza totale (⌘ = ⌘a⌘d) delle arpe antinebbia in funzione del raggio del filo per una tonalità fissa coefficiente (SC = 0,5). In assenza di intasamenti apprezzabili, ⌘ aumenta di un fattore 1,7 quando il raggio del filo si riduce da Rwire ⇠ 1 mm a Rwire⇠ 100 µm. Si raggiunge quindi un tetto prestazionale senza aumento significativo di ⌘ con un ulteriore restringimento dei fili, a causa del ⌘d vicino al 100% di efficienza di Rwire⇠ 100 µm

“La foglia galleggiante è stata testata all’interno di una camera ambientale con umidità ambientale controllata, gli stomi sintetici opzionalmente in cima alla foglia galleggiante. La foglia può “traspirare” stabilmente in un’ampia varietà di umidità ambientali, anche senza gli stomi, perché i menischi d’acqua si ritirerebbero parzialmente in nanopori per soffocare il vapore all’interno, aumentando così l’umidità relativa locale proprio sopra i menischi “, ha affermato Shi.

L’albero sintetico sarà inoltre accompagnato da un “albero su un chip”, insieme a un tetto di vetro da incollare sulla superficie dei microcanali.

“Inoltre, una fonte di calore resistiva verrà raggruppata termicamente su questo albero su un chip per variare drasticamente la velocità di traspirazione e, per estensione, l’entità della pressione negativa di Laplace all’interno del sistema”, ha concluso Shi.

La carenza d’acqua continua a tormentare i paesi in via di sviluppo e i ricercatori di tutto il mondo hanno creato numerosi dispositivi stampati in 3D, da quelli destinati a testare potabilità , purificazione e persino filtrare l’acqua salata .

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