Schermi membrana sostenibili ispirati alla natura per ridurre l'evaporazione dell'acqua nella coltivazione di alghe

Trasformare la luce solare in carburante sostenibile

Le alghe possono non sembrare molto, ma questi minuscoli organismi verdi potrebbero contribuire a fornire i carburanti, gli alimenti e i prodotti chimici del futuro mentre assorbono anidride carbonica dall'aria. Il problema è che coltivarle all'aperto, specialmente in regioni calde e secche, comporta enormi perdite d'acqua per evaporazione dei bacini sotto il sole intenso. Questo studio esplora un modo semplice e ispirato alla natura per schermare gli stagni di alghe in modo da ridurre notevolmente le perdite d'acqua, pur lasciando passare sufficiente luce e aria per una crescita sana.

Perché le alghe sono importanti in un mondo assetato

Le alghe possono convertire luce solare, anidride carbonica e nutrienti in oli, proteine e altri prodotti utili, rendendole potenziali fonti di biocarburanti, mangimi per animali e chimici di pregio. Ogni chilogrammo di biomassa algale può sequestrare quasi il doppio del proprio peso in anidride carbonica, e la produzione globale ha già raggiunto decine di milioni di tonnellate all'anno. Regioni calde e soleggiate come la Penisola Arabica sono particolarmente interessanti per allevamenti su larga scala di alghe perché offrono abbondante luce, terreni non coltivabili, acqua marina e fonti industriali di anidride carbonica. Ma in questi climi aridi, gli stagni aperti perdono grandi volumi d'acqua per evaporazione, aumentando i costi e limitando l'espansione.

Il problema delle coperture tradizionali per gli stagni

Un'idea ovvia è coprire l'acqua. Palline galleggianti, fogli di schiuma, film e persino monostrati chimici sono stati testati per ridurre l'evaporazione di serbatoi e stagni algali. Molte di queste soluzioni risparmiano acqua, ma spesso bloccano troppa luce o ostacolano lo scambio di gas tra aria e acqua. Per le alghe, questo compromesso può essere fatale: hanno bisogno della giusta intensità di luce visibile per la fotosintesi e devono poter assorbire anidride carbonica ed emettere ossigeno liberamente. Coperture dense possono proteggere l'acqua, ma possono surriscaldare le colture, privarle di luce, intrappolare livelli nocivi di ossigeno e infine ridurre la produttività.

Una schermatura ispirata alla natura fatta di fibre sottili

Per affrontare il problema, i ricercatori si sono ispirati alle foglie delle piante, che usano una pelle cerosa esterna per rallentare la perdita d'acqua pur permettendo il movimento dei gas. Hanno creato «schermi» sottili e porosi fatti di nanofibre — fili estremamente fini — stesi su una maglia di plastica di supporto. Sono stati impiegati due polimeri comuni: acido polilattico (PLA), biodegradabile in impianti di compostaggio industriale, e polimetilmetacrilato (PMMA), altamente durevole e riciclabile. Prodotte con un processo elettrospinning roll-to-roll scalabile, queste stuoie di nanofibra sono fortemente idrorepellenti, meccanicamente robuste e termicamente stabili. Lasciando passare il 70–80% della luce visibile utile alla crescita, bloccano gran parte della radiazione ultravioletta più dannosa per le cellule algali.

Permettere il passaggio dei gas trattenendo l'acqua

I test all'aperto hanno mostrato che gli stagni coperti con gli schermi di nanofibra hanno perso fino all'86–87% in meno di acqua rispetto agli stagni scoperti, anche sotto il sole forte del deserto. Allo stesso tempo, misure accurate di anidride carbonica disciolta e ossigeno hanno rivelato che gli schermi rallentavano appena lo scambio gassoso: la CO2 poteva ancora entrare nell'acqua per alimentare la fotosintesi e l'ossigeno poteva sfuggire prima di raggiungere livelli dannosi. Gli schermi hanno anche attenuato i picchi di intensità luminosa, mantenendola in un intervallo più confortevole per la crescita algale e riducendo il rischio di stress indotto dalla luce. In undici giorni di coltura con lo schermo in PLA, le colture algali hanno utilizzato circa la metà dell'acqua al giorno rispetto alle colture scoperte.

Scambiare un po' di biomassa per un controllo molto maggiore

C'è stato un compromesso: le colture schermate hanno prodotto una biomassa finale leggermente inferiore rispetto agli stagni scoperti più luminosi — circa un terzo in meno in questo studio. Tuttavia, i sistemi schermati sono cresciuti in modo più coerente e prevedibile, con densità cellulari e biomassa simili tra le repliche. Al contrario, alcune colture scoperte hanno faticato o mostrato comportamenti imprevedibili. Gli schermi hanno anche intrappolato polvere trasportata dall'aria, agendo come barriera che può migliorare la pulizia del prodotto finale. Poiché lo strato di fibre può essere staccato dal supporto, i componenti possono essere gestiti a fine vita tramite rotte consolidate di riciclo o compostaggio; gli schermi in PLA si sono biodegradati facilmente nei test di compostaggio industriale, mentre il PMMA è rimasto intatto, risultando più adatto dove si desidera una lunga durata di servizio.

Cosa significa questo per le future fattorie di alghe

Questo lavoro dimostra che schermi membrana sottili e ispirati alla natura possono ridurre drasticamente la perdita d'acqua dagli stagni algali mantenendo sufficiente luce e aria per una crescita produttiva. Sebbene riducano leggermente la biomassa di picco, offrono risparmi idrici, crescita più stabile, pianificazione del raccolto più semplice e protezione aggiuntiva da polvere e luce ultravioletta. Scalabili in lunghezze estese e realizzabili con materiali riciclabili o biodegradabili, questi schermi di nanofibra potrebbero rendere possibile la coltivazione di alghe su larga scala in regioni calde e aride — a supporto di carburanti più puliti, nuove fonti di cibo e mangime e un'industria più rispettosa del clima senza un conto idrico eccessivo.

Citazione: G. Oldal, D., Bokhari, A., Abdurrokhman, I. et al. Nature-inspired sustainable membrane shades for mitigating water evaporation in algal cultivation. npj Mater. Sustain. 4, 19 (2026). https://doi.org/10.1038/s44296-026-00103-0

Parole chiave: coltivazione di microalghe, controllo dell'evaporazione dell'acqua, membrane nanofibra, biocarburanti sostenibili, agricoltura in climi aridi