Studio romain/Getty Images
Notre atmosphère contient six fois plus d’eau que ce que l’on trouve dans toutes les rivières de la Terre. Les gouttes de rosée que l’on voit sur l’herbe et les gouttelettes d’eau sur une bouteille de jus froid témoignent de l’existence de ce réservoir naturel d’eau. Malgré son omniprésence, 2 milliards de personnes sur Terre n’ont toujours pas accès à l’eau potable.
Une technique appelée récupération de l’eau atmosphérique (AWH) peut nous permettre d’extraire une partie de cette eau douce de l’air. Mais divers défis nous ont empêchés de mettre en œuvre l’AWH à grande échelle. Afin de créer un système AWH efficace et continu, les scientifiques doivent garantir deux choses. La première est que l’absorption de l’eau de l’air est entièrement réversible, de sorte que l’eau peut être récupérée pour être utilisée.
Le deuxième est la gestion efficace de la chaleur perdue. Lorsqu’un système AWH capte l’eau de l’air, la condensation de l’eau libère de la chaleur. Si cet excès de chaleur n’est pas traité avec soin, il peut interférer avec l’ensemble du processus. Cependant, il semble que nous soyons désormais plus proches d’une solution. Inspirée par la structure des feuilles des plantes, une équipe de chercheurs chinois a créé un aérogel structurel à base de nanofibres de cellulose (appelé Core-Shell@CNF en abrégé) qui promet de surmonter ces défis.
Non seulement il fonctionne en utilisant uniquement la lumière du soleil, mais il produit également de l’électricité.
Produire de l’eau douce à partir de rien
Le Core-Shell@CNF est livré avec un noyau hydrophile (attire les molécules d’eau) et une coque hydrophobe (tend à repousser l’eau). Le premier comprend des particules de LiCl, qui absorbent parfaitement l’eau et fonctionnent comme un sorbant. Ce dernier contient des particules de noir de carbone et possède un revêtement en polydiméthylsiloxane, ou PDMS, résistant à l’eau. Cette conception en couches s’inspire des feuilles des plantes qui « présentent également des structures noyau-coquille bien conçues où la cuticule de la feuille protège le tissu mésophylle intérieur de la déshydratation et de l’oxydation, tandis que les stomates permettent le libre transport des molécules d’eau gazeuses », le notent les auteurs de l’étude.
Le processus AWH commence par l’absorption d’eau dans l’aérogel pendant la nuit. Lorsque l’air et la vapeur d’eau traversent le matériau, ses grands pores permettent aux molécules d’eau d’atteindre les particules de LiCl à l’intérieur, qui les absorbent. Au fur et à mesure que de l’eau pénètre, les sels hydratés se transforment en un film liquide puis en une solution salée. Pendant ce temps, la coque hydrophobe externe empêche l’eau liquide de s’échapper à l’extérieur. Cette combinaison aide le Core-Shell@CNF à continuer de collecter de l’eau.
Pendant la journée, les particules de noir de carbone absorbent la lumière du soleil et se réchauffent rapidement. En conséquence, la température à l’intérieur de l’aérogel augmente et la solution salée commence à libérer de la vapeur d’eau, reformant le sel d’origine. En raison de la capacité du carbone à absorber rapidement la lumière du soleil et à la transformer en énergie thermique, l’aérogel est capable de libérer de l’eau rapidement. La structure poreuse du carbone facilite également le transfert de chaleur et de molécules d’eau, rendant ainsi le processus de désorption efficace.
Les chercheurs ont effectué plusieurs cycles d’absorption-désorption pour tester les limites de leur matériau AWH et atteindre une efficacité maximale. Cela a conduit à plusieurs améliorations dans la conception de leur matériau ; par exemple, la structure finale de l’aérogel a moins de pores et des parois externes 10 fois plus épaisses que l’originale. Grâce à ces changements, « même sous [pressure]le CB-PDMS@CNF pourrait empêcher l’eau de pénétrer, montrant une bonne hydrophobicité et une bonne résistance mécanique », notent les chercheurs.
La coque hydrophobe solide est également idéale pour garder l’aérogel propre, car elle sépare les particules de poussière ou les contaminants qui accompagnent les molécules d’eau. Lorsque les chercheurs ont testé l’aérogel dans un environnement extérieur pendant 24 heures, chaque kilogramme de matériau a pu en collecter un peu sous un gramme d’eau douce. Alors que les chercheurs espèrent améliorer l’efficacité, l’eau elle-même était prête à être bue. « Les résultats du test de spectrométrie de masse à plasma inductif (ICP-MS) ont indiqué que l’eau collectée répondait aux exigences en matière d’eau potable de l’Organisation mondiale de la santé (OMS) et de l’Agence américaine de protection de l’environnement (EPA) », ont-ils ajouté.