Poiché i cambiamenti climatici, l'inquinamento e i livelli di popolazione sono in aumento, l'umanità rischia di esaurire la sua risorsa più necessaria: l'acqua dolce.

Il problema è così grave che da 2025 si prevede che 1.8 miliardi di persone vivranno in aree con assoluta scarsità d'acqua e ⅔ del mondo potrebbe essere in condizioni di stress idrico, il Nazioni unite avverte.

La scarsità d'acqua può causare morte e malattie diffuse e portare allo sfollamento di centinaia di milioni di persone in tutto il mondo.

In questo articolo, evidenziamo i recenti sforzi compiuti da diverse università per affrontare la crisi globale dell'acqua.

Qual è la scarsità d'acqua?

La scarsità d'acqua può verificarsi a causa di carenza fisica, fallimento delle istituzioni per garantire una fornitura regolare, o la mancanza di infrastrutture adeguate.

Le Nazioni Unite hanno riferito che l'uso dell'acqua è cresciuto a più del doppio del tasso di aumento della popolazione nel corso dell'ultimo secolo, il che ha causato un numero crescente di regioni di affrontare difficoltà a ottenere acqua da fonti affidabili.

Poiché l'acqua dolce costituisce solo circa il 2.5 percento dell'approvvigionamento idrico della Terra, le aree di tutto il mondo fanno fatica a tenere il passo con le richieste della popolazione.

Al momento ci sono 844 milioni di persone che vivono senza accesso all'acqua pulita, il che provoca più morti all'anno di violenze o guerre.

Dove prendiamo la nostra acqua?

Della percentuale di 2.5 di acqua dolce disponibile per il consumo umano, solo la percentuale di 1 è facilmente accessibile, in quanto gran parte di essa è intrappolata nei ghiacciai e nei nevai.

Le acque sotterranee sono la più grande fonte di acqua dolce al mondo e forniscono acqua potabile a oltre il 50 della popolazione statunitense.

Sfortunatamente, a causa del sovrasfruttamento delle falde acquifere, le acque sotterranee si stanno rapidamente esaurendo in molte parti del mondo, compresi gli Stati Uniti Le falde acquifere sono strati sotterranei di roccia acquifera permeabile o materiali sciolti, come ghiaia, sabbia o fango, da cui acque sotterranee può essere estratto utilizzando ben acqua.

Le acque sotterranee si stanno esaurendo così rapidamente che le falde acquifere in India, Spagna meridionale e Italia potrebbero essere esaurite tra 2040 e 2060, mentre quelle nella Central Valley, nel Bacino di Tulare e nella valle meridionale di San Joaquin potrebbero essere esaurite prima.

Inoltre, negli Stati Uniti, le principali fonti di acqua dolce tra cui il fiume Colorado e il lago Mead in Arizona stanno iniziando a prosciugarsi.

Secondo The Water ProjectAlcuni ricercatori ritengono che il Lago Mead, che fornisce acqua a 22 milioni di persone negli Stati Uniti, potrebbe essere asciutto da 2021.

Gli sforzi dell'Università per alleviare la crisi idrica

Anche se i numeri possono essere scoraggianti, ci sono stati numerosi sforzi delle università per contribuire ad alleviare la crisi idrica.

Dalla filtrazione alle tecniche di desalinizzazione, ecco alcuni esempi del lavoro eccezionale che le università hanno recentemente raggiunto.

MIT, utilizzando l'acqua salmastra salmastra

Secondo i ricercatori del MIT, un modo per aiutare a risolvere la crisi idrica è guardare oltre l'acqua dolce.

I ricercatori hanno trovato un modo per desalinizzare varie composizioni di acque sotterranee salmastre - un tipo di acqua sotterranea che contiene più salinità dell'acqua dolce, ma non tanto quanto l'acqua di mare.

La quantità di acque sotterranee salmastre negli Stati Uniti è circa 800 volte maggiore della quantità totale di acque sotterranee prelevata a livello nazionale, tuttavia meno del 1 percento dell'approvvigionamento idrico della nazione proviene da questa fonte.

Quindi, secondo i ricercatori, l'uso di una minima parte dell'acqua abbondante e salmastra negli Stati Uniti potrebbe migliorare notevolmente le prospettive per le comunità affamate di acqua.

"Gli Stati Uniti hanno acque sotterranee più salmastre rispetto alle acque sotterranee. E gran parte della falda freatica del mondo viene pesantemente utilizzata, al punto che molte falde acquifere di acqua dolce stanno mostrando segni di declino ", ha detto John Lienhard, direttore del Abdul Latif Jameel Laboratorio mondiale per la sicurezza dell'acqua e alimentare al MIT.

Lienhard e il suo team hanno usato la termodinamica, una scienza che si occupa della relazione tra calore ed energia, per studiare in che modo le diverse composizioni di acque salmastre salmastre influenzerebbero l'energia necessaria per la desalinizzazione.

In questo modo, i ricercatori sono stati in grado di formulare una grande serie di informazioni sui processi e sui requisiti per dissalare le acque salmastre salmastre, nonché una mappa delle aree intorno agli Stati Uniti e al mondo che hanno sorgenti salmastre salmastre potenzialmente utilizzabili.

"La crescita della popolazione e un clima più caldo e più variabile rappresentano sfide senza precedenti per le nostre città, fattorie e industrie", ha affermato Lienhard.

“L'uso sostenibile delle acque sotterranee salmastre, attraverso la dissalazione, può aiutare ad espandere le nostre forniture di acqua dolce. Questo approccio può essere una componente di una strategia integrata di gestione delle risorse idriche per le molte parti del mondo minacciate dalla carenza idrica. "

CMU, meccanismi a base vegetale per la filtrazione dell'acqua

Un altro metodo che potrebbe aiutare le aree affamate di acqua, in particolare nelle regioni subtropicali o tropicali come l'India, è usando materiali vegetali come mezzo per filtrare l'acqua sporca.

I ricercatori della Carnegie Mellon University hanno sviluppato un modo per combinare le proteine ​​di semi della pianta di Moringa Oleifera, una pianta commercialmente preziosa originaria dell'India, con tecniche di filtrazione a sabbia per produrre un meccanismo di filtrazione semplice ed efficace.

Il mezzo risultante è chiamato "f-sand" e funziona usando cariche elettriche opposte.

“La sabbia è per lo più caricata negativamente. Le proteine ​​dei semi di Moringa oleifera sono cariche positivamente e la maggior parte dei contaminanti sospesi (argilla sospesa o altre particelle minerali, batteri, materiale organico in decomposizione naturalmente presente nell'ambiente) che dovrebbero essere rimossi dall'acqua per renderla potabile sono caricati negativamente, " disse Bob Tilton, il professore di Chevron in Ingegneria Chimica e Ingegneria Biomedica presso la CMU.

Per preparare la sabbia, spiega Tilton, le proteine ​​idrosolubili vengono prima estratte dai semi schiacciandole e immergendole in acqua. La soluzione risultante viene quindi versata in una miscela molto densa e umida di sabbia e acqua chiamata una sospensione.

In questo momento, la carica di sabbia negativa attira la carica di proteina positiva, facendo sì che le proteine ​​si attacchino alla sabbia e, successivamente, creino "f-sand". L'acqua in eccesso può quindi essere drenata e la f-sand può essere versata in una colonna

Quindi, per usare la f-sand, si potrebbe semplicemente versare acqua attraverso la colonna, e gli agenti contaminanti caricati negativamente aderirebbero alle proteine ​​caricate positivamente sui granelli di sabbia, creando un sistema di filtrazione semplice e pieno di risorse.

Tilton spiega che F-Sand sarà facilmente adattato dagli utenti locali, poiché la tecnica richiede pochi strumenti e un lavoro abbastanza semplice.

"I sistemi potrebbero essere impostati per funzionare a un livello molto localizzato, probabilmente anche a livello di singola famiglia", ha affermato Tilton.

UT Dallas / Penn State, tecnologia di raccolta dell'acqua ispirata ai coleotteri

In ancora un altro modo creativo per contribuire ad alleviare la nostra crescente crisi idrica, i ricercatori dell'Università del Texas a Dallas e della Penn State University hanno sviluppato una superficie che può raccogliere rapidamente le molecole d'acqua dalla nebbia e dal vapore d'aria e indirizzarli verso un serbatoio lungo microgroove lubrificati.

La "superficie scivolosa direzionale idrofila", o SRS, è stata ispirata dal processo in cui gli organismi viventi, come coleotteri del deserto, piante di brocca e foglie di riso, raccolgono e dirigono naturalmente l'acqua.

"Gli scarabei del deserto hanno usato dossi idrofili per assorbire le goccioline d'acqua dalle nebbie, e hanno anche usato cere idrofobiche modellate per rimuovere quelle goccioline da bere", ha detto Simon Dai, un assistente professore di ingegneria meccanica presso la Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science presso l'UT Dallas.

Mentre gli urti idrofili sugli scarabei del deserto dimostrano come raccogliere e combinare le goccioline d'acqua dall'aria, le superfici scivolose delle piante di brocca e le minuscole scanalature direzionali sulle foglie di riso dimostrano come dirigere rapidamente le goccioline d'acqua verso un serbatoio.

La combinazione di questi disegni naturali crea una superficie in grado di catturare e dirigere le gocce d'acqua in modo efficiente.

Per creare la tecnologia di raccolta dell'acqua, i ricercatori hanno costruito una superficie e strutture incise, nano-dimensionali. Hanno quindi rivestito la superficie con un lubrificante liquido idrofilo.

Il lubrificante ha un duplice scopo attirando l'acqua e creando una superficie scivolosa, così le gocce d'acqua che si formano possono facilmente muoversi verso il basso e combinarsi per formare goccioline più grandi.

"Abbiamo infuso le nostre superfici ruvide direzionali con lubrificante liquido idrofilo che è molecolarmente mobile, quindi può aiutare l'acqua raccolta a fondersi in gocce più grandi", ha detto Dai in una nota.

“Inoltre, il materiale è scalabile. A differenza delle superfici ispirate allo scarafaggio in cui la creazione di goccioline d'acqua si verifica solo in aree specifiche, possiamo creare superfici piccole o grandi, tutte con la capacità di intrappolare e spostare rapidamente l'acqua ovunque sulla superficie. "

La combinazione di solchi direzionali e la superficie scivolosa idrofilica si è rivelata più efficace nel catturare e dirigere le goccioline d'acqua rispetto alle superfici comparabili.

Le superfici idrofiliche o che attraggono l'acqua, come la SRS, possono essere utilizzate per una serie di scopi e industrie, come l'aria condizionata, la condensazione a goccia per la generazione di energia e la desalinizzazione e la raccolta dell'acqua nelle regioni aride.

"I processi esistenti per la creazione di acqua dolce, come la desalinizzazione, si basano sulla transizione dal vapore all'acqua", ha affermato Dai in una nota.

"Volevamo creare una superficie in grado di catturare e dirigere le gocce d'acqua in modo efficiente."

Rice University, sequestrando tossine dall'acqua

I ricercatori della Rice University hanno lavorato su un sistema di trattamento che può tirare selettivamente le tossine dannose dall'acqua potabile e dalle acque reflue provenienti da fabbriche, sistemi fognari e pozzi di petrolio e gas.

Il sistema utilizza una serie di elettrodi compositi che consentono la deionizzazione capacitiva, una tecnologia per deionizzare l'acqua applicando una differenza di potenziale elettrico su due elettrodi, che sono spesso costituiti da carbonio poroso.

Gli elettrodi porosi e caricati sono in grado di tirare selettivamente gli ioni bersaglio dai fluidi che passano attraverso un sistema labirintico. Quindi, quando i pori si riempiono di tossine, gli elettrodi possono essere puliti, restaurati e riutilizzati.

Guidati da Qilin Li, un professore di ingegneria civile e ambientale e di scienze dei materiali e nanoingegneria, il sistema di trattamento del riso dovrebbe essere un'alternativa a basso costo ea basso consumo energetico ai sistemi tradizionali.

"I metodi tradizionali per rimuovere tutto, come l'osmosi inversa, sono costosi e ad alta intensità energetica", ha detto Li in una nota.

"Se scopriamo un modo per tirare fuori questi componenti minori, possiamo risparmiare un sacco di energia."

Finora, i ricercatori hanno testato il sistema sulla rimozione degli ioni solfato, un minerale che forma una scala che può dare all'acqua un gusto amaro e agire come un lassativo.

Per fare ciò, gli elettrodi del sistema sono stati rivestiti con carbone attivo, che è stato a sua volta rivestito da un sottile film di minuscole particelle di resina tenute insieme da alcool polivinilico quaternizzato.

Quando l'acqua contaminata dal solfato scorreva attraverso un canale tra gli elettrodi caricati, gli ioni solfato venivano attratti dagli elettrodi, fatti passare attraverso il rivestimento di resina e attaccati al carbonio.

I test effettuati in laboratorio hanno dimostrato che il rivestimento caricato positivamente ha catturato ioni solfato sul sale con un rapporto superiore a 20 a 1.

"Questo fa parte di un ampio raggio di ricerca per capire come rimuovere selettivamente i contaminanti ionici", ha detto Li in una nota. “Ci sono molti ioni nell'acqua. Non tutto è tossico. Ad esempio, il cloruro di sodio (sale) è perfettamente benigno. Non è necessario rimuoverlo a meno che la concentrazione non diventi troppo elevata. "

"Per molte applicazioni, possiamo lasciare indietro ioni non pericolosi, ma ci sono alcuni ioni che dobbiamo rimuovere. Ad esempio, in alcuni pozzi di acqua potabile, c'è l'arsenico. Nei nostri tubi per acqua potabile potrebbero esserci piombo o rame. E nelle applicazioni industriali, ci sono ioni calcio e solfato che formano scaglie, un accumulo di depositi minerali che sporcano e intasano i tubi. "

I ricercatori stanno attualmente lavorando allo sviluppo di rivestimenti per altri contaminanti e lavorando con i laboratori dell'Università del Texas di El Paso e dell'Arizona State University su sistemi di test su larga scala.

Conclusione

La crisi idrica globale colpisce tutti, anche coloro che non ne sentono l'impatto diretto, e poiché i livelli di esaurimento continuano a salire, dobbiamo tutti fare la nostra parte per garantire la sicurezza idrica e ridurre le malattie legate all'acqua.

Fortunatamente, gli scienziati, gli attivisti e le organizzazioni no-profit hanno avviato sforzi per contribuire ad alleviare la crisi in tutto il mondo.

Nell'era interconnessa di oggi, siamo in una posizione unica per lavorare insieme per proteggere la nostra risorsa più vitale.

Ora più che mai, persone e organizzazioni, come Water.org, Goccia nel mare, Acqua per le persone ed L'acqua è vita, sono in grado di lavorare a livello globale per aiutare le comunità affamate di acqua e avere un impatto significativo sul mondo che cambia.