Oro liquido: un prototipo raccoglie risorse preziose dall'urina
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Un sistema di nuova concezione trasforma i rifiuti umani in un potente strumento per un'energia e un'agricoltura redditizie e sostenibili in regioni con risorse limitate. Il prototipo, delineato in uno studio condotto a Stanford, recupera un prezioso fertilizzante dall'urina, utilizzando l'energia solare che può anche fornire energia per altri usi. Nel processo, il sistema fornisce servizi igienici essenziali, rendendo le acque reflue più sicure da scaricare o riutilizzare per l'irrigazione.
"Questo progetto consiste nel trasformare un problema di rifiuti in un'opportunità di risorse", ha dichiarato l'autore senior dello studio William Tarpeh, professore assistente di ingegneria chimica presso la Stanford School of Engineering. "Con questo sistema, catturiamo i nutrienti che altrimenti verrebbero gettati via o causerebbero danni ambientali e li trasformiamo in qualcosa di prezioso - fertilizzante per le colture - e lo facciamo senza bisogno di accedere alla rete elettrica".
L'azoto è un componente chiave dei fertilizzanti commerciali. Tradizionalmente, viene prodotto con un processo ad alta intensità di carbonio e distribuito a livello globale da grandi impianti industriali, molti dei quali sono situati nelle nazioni più ricche, con conseguente aumento dei prezzi nei Paesi a basso e medio reddito. A livello globale, l'azoto contenuto nell'urina umana equivale a circa il 14% della domanda annuale di fertilizzanti.
Il prototipo separa l'ammoniaca - un composto chimico formato da azoto e idrogeno - dall'urina attraverso una serie di camere separate da membrane, utilizzando l'elettricità generata dall'energia solare per guidare gli ioni attraverso l'urina e infine intrappolare l'ammoniaca come solfato di ammonio, un fertilizzante comune. Il riscaldamento del sistema - che utilizza il calore di scarto raccolto dalla parte posteriore dei pannelli solari fotovoltaici attraverso una piastra fredda in tubo di rame - contribuisce ad accelerare il processo favorendo la produzione di gas ammoniaca, la fase finale del processo di separazione. Inoltre, i pannelli solari producono più elettricità a temperature più basse, quindi la raccolta del calore di scarto aiuta a mantenerli freschi ed efficienti.
"Ogni persona produce nelle proprie urine una quantità di azoto sufficiente a fertilizzare un giardino, ma gran parte del mondo fa affidamento su costosi fertilizzanti importati", ha dichiarato Orisa Coombs, autore principale dello studio e dottorando in ingegneria meccanica. "Non c'è bisogno di un gigantesco impianto chimico e nemmeno di una presa di corrente. Con una quantità sufficiente di sole, si può produrre fertilizzante proprio dove è necessario, e potenzialmente anche immagazzinare o vendere l'elettricità in eccesso".
Lo studio dimostra che l'integrazione del calore generato dal pannello solare per riscaldare il liquido utilizzato nel processo elettrochimico e la gestione della corrente fornita al sistema elettrochimico hanno aumentato la produzione di energia di quasi il 60% e migliorato l'efficienza di recupero dell'ammoniaca di oltre il 20%, rispetto ai prototipi precedenti che non integravano queste funzioni. L'uso di questo calore di scarto è particolarmente promettente perché è molto abbondante: circa l'80% dell'energia solare che colpisce i pannelli solari viene persa, il che potrebbe altrimenti causare il surriscaldamento del sistema e rallentamenti dell'efficienza.
I ricercatori hanno anche sviluppato un modello dettagliato per prevedere come le variazioni di luce solare, temperatura e configurazione elettrica influenzino le prestazioni e l'economia del sistema. Il modello ha dimostrato che in regioni come l'Uganda, dove i fertilizzanti sono costosi e le infrastrutture energetiche sono limitate, il sistema potrebbe generare fino a 4,13 dollari per chilogrammo di azoto recuperato, più del doppio dei potenziali guadagni negli Stati Uniti.
I ricercatori ritengono che l'approccio potrebbe essere esteso per aiutare gli agricoltori e le comunità di tutto il mondo. Le lezioni apprese sull'integrazione del calore di scarto dei pannelli solari potrebbero essere applicate anche a strutture industriali, come gli impianti di trattamento delle acque reflue, in grado di catturare il calore prodotto durante la generazione di elettricità per alimentare una serie di applicazioni.
Coombs sta lavorando a un prototipo che avrà una capacità tripla del reattore, sarà in grado di trattare una quantità significativamente maggiore di urina e lo farà più velocemente quando sarà disponibile più luce solare.
Oltre al potenziale di raccolta di un prodotto prezioso e di generazione di energia, questo approccio promette un'efficace sanificazione. Secondo le Nazioni Unite, oltre l'80% delle acque reflue non viene trattato, in gran parte nei Paesi a basso e medio reddito. L'azoto presente nelle acque reflue può contaminare le falde acquifere e le fonti di acqua potabile e causare fioriture algali che impoveriscono l'ossigeno e uccidono piante e animali acquatici. Rimuovendo l'azoto dall'urina, il prototipo di sistema rende il liquido rimanente più sicuro da scaricare o riutilizzare per l'irrigazione. La possibilità di fare questo con un sistema autoalimentato potrebbe cambiare le carte in tavola in molti Paesi dove solo una piccola percentuale della popolazione è collegata a sistemi fognari centralizzati.
"Spesso pensiamo all'acqua, al cibo e all'energia come a sistemi completamente separati, ma questo è uno di quei rari casi in cui l'innovazione ingegneristica può aiutare a risolvere più problemi contemporaneamente", ha dichiarato Coombs. "È pulito, scalabile e letteralmente alimentato dal sole".
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Pubblicazione originale
"Prototyping and Modeling a Photovoltaic/Thermal Electrochemical Stripping System for Distributed Urine Nitrogen Recovery"; Nature Water 2025.
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