Indagine sperimentale e numerica sulle prestazioni di un distillatore solare a pendenza singola migliorato con materiali assorbenti porosi: valutazioni termiche, economiche e ambientali

Trasformare la luce solare in acqua potabile

Per milioni di persone che vivono in regioni aride e soleggiate, l’acqua salata o salmastra può essere abbondante mentre l’acqua potabile sicura scarseggia. Un dispositivo semplice, il distillatore solare, può trasformare la luce del sole in acqua dolce usando solo una vasca poco profonda, una copertura trasparente e il naturale ciclo di evaporazione e condensazione. Questo studio esplora come l’aggiunta di materiali porosi di uso comune, come una spugna da cucina o una pietra vulcanica, possa aumentare la produzione di questi dispositivi a bassa tecnologia, riducendone i costi e le emissioni che riscaldano il clima.

Una scatola semplice che imita il ciclo dell’acqua

Un distillatore solare a pendenza singola è essenzialmente una piccola serra posta su un fianco. L’acqua salata resta in una vasca scura sotto una copertura in vetro inclinata. La luce solare attraversa il vetro, riscalda l’acqua e ne provoca l’evaporazione. L’aria umida sale, tocca il vetro più freddo e forma goccioline che scivolano in un canale di raccolta come acqua distillata e bevibile. I progetti tradizionali sono economici e robusti ma soffrono di bassa resa: anche in una giornata luminosa producono tipicamente meno di un litro per metro quadrato, limitandone l’utilità per famiglie o villaggi che necessitano di forniture affidabili.

Aggiungere spugne e pietre per aumentare la resa

I ricercatori hanno testato tre versioni di questo distillatore di base nel clima caldo e secco di Karbala, in Iraq: un’unità tradizionale con vasca nuda; una versione con la vasca riempita di pietra pomice, una roccia porosa e leggera; e un’altra riempita con spugna di melamina, una schiuma molto leggera e altamente porosa spesso usata per la pulizia. Questi materiali assorbono acqua ed espongono essa all’aria attraverso innumerevoli pori microscopici. Ciò aumenta notevolmente l’area in cui può avvenire l’evaporazione, modificando anche il modo in cui il calore viene immagazzinato e rilasciato all’interno del dispositivo.

Esperimenti sul campo e verifiche al computer

Tutti e tre i distillatori sono stati gestiti fianco a fianco all’aperto sotto luce solare naturale, usando acqua salmastra poco profonda simile a quella che si potrebbe trovare nei pozzi rurali. Il team ha misurato con cura le temperature dell’acqua, del vapore e del vetro, così come la quantità di acqua distillata prodotta ogni ora. Allo stesso tempo, hanno costruito un modello informatico dettagliato del flusso di calore e dei fluidi all’interno dei distillatori usando software di simulazione ingegneristica. Le temperature e le rese simulate hanno corrisposto strettamente agli esperimenti—entro circa il 2,4 percento—dando fiducia che il modello catturasse la fisica chiave e potesse essere usato per esplorare le prestazioni in altre condizioni.

Più acqua, meno costi e aria più pulita

I materiali porosi hanno fatto una differenza evidente. Il distillatore con spugna di melamina ha prodotto circa 1,35 litri di acqua dolce al giorno—il 56,9 percento in più rispetto all’unità tradizionale—mentre la versione con pietra pomice ha aumentato la resa di circa il 22,9 percento. Temperature più alte dell’acqua e del vapore all’interno dei distillatori modificati si sono tradotte in maggiore evaporazione e condensazione più rapida sul vetro, e l’altissima porosità della spugna di melamina (più del 99 percento di spazio vuoto) si è dimostrata particolarmente efficace. L’efficienza termica, una misura di quanta energia solare entrante viene trasformata in evaporazione, è salita da circa il 31,5 percento nel distillatore tradizionale al 38,2 percento con la pomice e al 49,3 percento con la spugna.

Denaro, energia e ambiente

Poiché questi sistemi sono pensati per comunità a basso reddito e fuori rete, il team ha esaminato non solo la fisica ma anche l’economia e l’impatto ambientale. Anche considerando l’acquisto, la manutenzione e il valore di rottame finale, il distillatore con spugna di melamina ha fornito il costo dell’acqua più basso, circa 0,076 dollari USA per litro, una riduzione del 35 percento rispetto al progetto tradizionale. Il tempo di ritorno finanziario—quanto tempo impiegano i risparmi derivanti dalla produzione di acqua a coprire l’investimento iniziale—è stato di circa due anni e mezzo, più breve rispetto sia al distillatore nudo sia a quello riempito con pomice. Dal punto di vista energetico, i distillatori hanno recuperato l’energia impiegata per la loro fabbricazione in molto meno di un anno, sebbene la qualità di quell’energia (la sua capacità di compiere lavoro utile) sia rimasta limitata, riflettendo un limite fondamentale del riscaldamento a bassa temperatura. Dal punto di vista ambientale, sostituire la desalinizzazione o il pompaggio alimentati da elettricità con questi distillatori solari potrebbe evitare circa 1,6 tonnellate metriche di emissioni di anidride carbonica all’anno per ciascuna unità con spugna di melamina.

Cosa significa per le regioni aride e soleggiate

In termini semplici, riempire la vasca di un distillatore solare semplice con una spugna economica e altamente porosa lo trasforma in un produttore d’acqua molto più efficiente e conveniente. Pur restando una soluzione più adatta all’uso su piccola scala—famiglie, aziende agricole o siti remoti—offre un modo promettente e a bassa manutenzione per trasformare il sole intenso e l’acqua marginale in un flusso costante di acqua potabile sicura. Lo studio mostra che l’uso ponderato di materiali comuni può quasi dimezzare il costo per litro, accelerare il ritorno dell’investimento e ridurre l’inquinamento climatico, rendendo i distillatori solari uno strumento più pratico nella lotta contro la scarsità d’acqua.

Citazione: Majeed, S.H., Rashid, F.L., Azziz, H.N. et al. Experimental and numerical investigation of single-slope solar still performance enhanced by porous absorbing materials: thermal, economic, and environmental assessments. Sci Rep 16, 8487 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41901-9

Parole chiave: desalinizzazione solare, distillatore solare, materiali porosi, spugna di melamina, acqua fuori rete