Mise au point d’un nouveau matériau capable d’extraire passivement l’eau de l’air
(blog.seas.upenn.edu)- Des chercheurs de Penn Engineering ont découvert une famille de matériaux nanostructurés capables de rassembler l’humidité de l’air dans des pores puis de la faire ressortir à la surface sous forme de gouttelettes, sans énergie externe
- Le principe clé repose sur une structure nanoporeuse amphiphile combinant des nanopores hydrophiles et un polymère hydrophobe, ce qui permet une condensation capillaire dans les pores même à faible humidité
- Contrairement aux matériaux nanoporeux classiques, l’eau ne reste pas piégée dans les pores mais migre vers la surface, et plus la membrane est épaisse, plus la quantité d’eau collectée augmente
- Contrairement aux prévisions selon lesquelles les gouttelettes de surface devraient s’évaporer rapidement, elles se sont maintenues longtemps, ce qui s’explique par un réservoir caché sous les pores, continuellement réalimenté par la vapeur d’eau de l’air
- Cela pourrait déboucher sur la collecte passive d’eau dans les régions arides, des surfaces de refroidissement pour l’électronique et les bâtiments, ou des revêtements intelligents sensibles à l’humidité, même si l’optimisation de l’équilibre des composants et le passage à grande échelle restent à faire
Une découverte née de gouttelettes fortuites
- Dans un laboratoire de génie chimique de Penn Engineering, des gouttelettes d’eau sont apparues à la surface d’un matériau expérimental alors que l’équipe testait une combinaison de nanopores hydrophiles et de polymères hydrophobes
- L’objectif initial n’était pas de collecter de l’eau, mais la répétition de ce phénomène inattendu a conduit les chercheurs à en analyser la cause
- L’étude publiée dans Science Advances porte sur des matériaux nanoporeux amphiphiles capables de capter l’humidité de l’air et de la relâcher à la surface
- L’équipe de recherche comprend notamment Daeyeon Lee et Amish Patel de Penn Engineering, Baekmin Kim, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Lee, ainsi que Stefan Guldin de la Technical University of Munich
Le principe de fonctionnement pour collecter l’eau sans refroidissement
- En général, la condensation en surface nécessite un abaissement de température ou un taux d’humidité très élevé
- Les méthodes existantes de récupération d’eau dépendent souvent soit d’un apport énergétique pour refroidir la surface, soit de conditions humides propices à la formation d’un brouillard dense
- Ici, le matériau utilise la condensation capillaire plutôt que le refroidissement
- Il s’agit du processus par lequel la vapeur d’eau se condense dans de très petits pores même lorsque l’humidité est faible
- La condensation capillaire n’est pas en soi un phénomène nouveau
- La différence est que l’eau condensée ne reste pas enfermée dans les pores : elle migre vers la surface, où elle apparaît sous forme de gouttelettes
Une expérience sur l’épaisseur de la membrane confirme une origine interne
- Les chercheurs ont d’abord envisagé que l’eau puisse simplement se condenser à la surface à cause de facteurs liés au dispositif, comme un gradient de température dans le laboratoire
- Pour trancher, ils ont augmenté l’épaisseur de la membrane et vérifié si la quantité d’eau accumulée à la surface variait
- Si la seule cause avait été la condensation en surface, l’épaisseur de la membrane n’aurait pas dû influencer la quantité d’eau
- Or, plus la membrane était épaisse, plus la quantité totale d’eau collectée augmentait, ce qui indique que les gouttelettes de surface proviennent de l’intérieur du matériau
Des gouttelettes durables et un cycle de réalimentation
- À en juger par leur taille et leur courbure, les gouttelettes auraient dû s’évaporer rapidement, mais dans les expériences elles sont restées stables pendant longtemps
- Une équipe partenaire externe a également observé les membranes poreuses dans diverses conditions afin de confirmer la reproductibilité des résultats
- Le matériau présente des propriétés particulières grâce à l’équilibre entre des nanoparticules qui attirent l’eau et un plastique qui la repousse, le polyéthylène (polyethylene)
- Les gouttelettes présentes à la surface sont reliées à un réservoir caché dans les pores en dessous
- Ce réservoir est continuellement réalimenté par la vapeur d’eau de l’air
- L’équilibre entre composants hydrophiles et hydrophobes rend possible une boucle de rétroaction entre condensation et libération
Les défis d’extension vers la collecte passive d’eau et le refroidissement
- Le matériau est fabriqué à partir de polymères courants et de nanoparticules, avec l’avantage de pouvoir recourir à des méthodes de fabrication extensibles
- Les applications potentielles sont les suivantes
- des dispositifs passifs de collecte d’eau pour les régions arides
- des surfaces de refroidissement pour l’électronique ou les bâtiments
- des revêtements intelligents réagissant à l’humidité ambiante
- Les chercheurs veulent aussi s’inspirer de la manière dont les cellules et les protéines gèrent l’eau dans des environnements complexes pour concevoir de meilleurs matériaux
- Les prochaines étapes consistent à optimiser l’équilibre entre composants hydrophiles et hydrophobes, à assurer le passage à grande échelle pour un usage réel, et à étudier comment faire rouler efficacement les gouttelettes collectées hors de la surface
- À long terme, cela pourrait déboucher sur des technologies capables de fournir de l’eau propre dans les climats secs uniquement à partir de la vapeur d’eau de l’air, ou de créer des méthodes de refroidissement plus durables
1 commentaires
Avis de Hacker News
La description selon laquelle le matériau « attire l’eau présente dans l’air, la collecte dans ses pores, puis la libère à la surface sans énergie externe » ressemble à un sachet déshumidificateur haut de gamme
Des produits comme https://www.amazon.com/Wisesorb-Moisture-Eliminator-Fragranc... utilisent du chlorure de calcium pour absorber l’eau de l’air non saturé et former de petites gouttes, mais une fois consommés, il faut en racheter ou les faire bouillir pour récupérer les cristaux
Dans ce nouveau matériau aussi, les gouttes d’eau restent attachées au matériau, donc il faut de l’énergie pour les retirer. Comme elles ne tombent pas magiquement dans un seau sous l’appareil, on ne peut pas « récolter » l’eau sans énergie. On peut bien les essuyer avec du papier absorbant, mais il faudra à nouveau de l’énergie pour extraire l’eau de ce papier
L’expression « un matériau qui pourrait défier les lois de la physique » est également erronée. Les équipes de communication des universités et les journalistes tech devraient recevoir une courte formation leur apprenant à revérifier auprès des auteurs et d’experts indépendants avant de croire que les lois de la physique ont été violées
La phrase en question et le titre trompeur viennent du communiqué de l’université : https://blog.seas.upenn.edu/penn-engineers-discover-a-new-cl...
C’est vrai que cela ne viole pas les lois de la physique et qu’il faut toujours de l’énergie pour détacher les gouttes. Cela dit, si les gouttes migrent vers la surface, l’énergie nécessaire à leur libération pourrait être bien plus faible qu’avec des méthodes actives de déshumidification comme une jonction Peltier
https://www.amazon.sg/Thirsty-Hippo-Dehumidifier-Moisture-Ab...
En gros, cela se rapproche d’un gel de silice amélioré
Si l’on regarde la figure 4 et la figure de simulation 3E, les conditions où quelque chose commence à se produire semblent être une humidité relative de 97 %, et seulement après quelques minutes. Le tout à l’échelle du micromètre
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349
C’est presque faisable à la maison. Il suffit de dissoudre des gants en poly dans de la poudre de silice « lyophilisée »
Si l’énergie requise est faible, cela peut être une technologie intéressante
Le combiner à une surface absorbante ou à un système de transfert capillaire pourrait aider, mais cela semble encore être une question ouverte
Dans l’article lui-même (https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349), on lit : « sauf indication contraire, toutes les mesures ont été effectuées à 20 ° ± 0,2 °C, maintenus par un système de circulation d’air. Lorsque nécessaire, la température du film a été contrôlée au moyen d’un dispositif de chauffage/refroidissement (THMS350V, Linkam Scientific Instruments, Salfords, Royaume-Uni) »
Autrement dit, la chaleur latente est évacuée par le dispositif de refroidissement, mais ils ne le disent pas explicitement, sans doute pour rendre le résultat plus spectaculaire
Il s’agit d’un air très humide, juste avant la formation de rosée. Beaucoup se focalisent sur la formule sensationnaliste de « violation des lois de la physique », mais cela ressemble plutôt à une amélioration progressive d’un processus naturel
L’affirmation centrale est que des gouttelettes macroscopiques d’eau apparaissent spontanément à partir d’une vapeur non saturée, ce qui n’est pas un phénomène autorisé par le deuxième principe de la thermodynamique
D’après ma compréhension actuelle, dans un environnement où la température ambiante est suffisamment basse, le matériau pourrait fonctionner même à des températures plus élevées, ce qui permettrait d’évacuer la chaleur latente par rayonnement passif. Même avec une pompe à chaleur active, une température plus élevée peut améliorer le rendement. Dans un système fermé, on finirait certes par atteindre l’équilibre, mais il n’est pas nécessaire de maintenir un système fermé
On pourrait probablement déposer cette couche de matériau sur de l’aluminium pour conduire la chaleur latente, et fabriquer un dispositif capable de produire de l’eau en continu sans énergie supplémentaire. On peut imaginer un « cube » placé à l’ombre, avec un faisceau d’ailettes faites de ce matériau et un bac de collecte en dessous. Il serait intéressant de voir, une fois réellement fabriqué, combien de litres par jour il peut extraire de l’air ambiant et dans quelles conditions
Un tel dispositif pourrait être indispensable lors de conditions météo où la température et la teneur en humidité atteignent des niveaux de température humide dangereux pour l’être humain. S’il s’agit d’un dispositif passif qui aspire l’eau de l’air sans énergie, il pourrait même sauver des vies
Les espaces entre les nanoparticules sont partiellement remplis de plastique, et le rapport plastique/particules correspond à la fraction volumique de polyéthylène (ϕPE). Plusieurs ratios ont été testés, et le comportement de mouillage apparaîtrait dans une plage donnée
Expérimentalement, l’article indique que de petites gouttelettes se forment à l’intérieur du matériau même à 70 % d’humidité relative. Si c’est vrai, on peut espérer qu’il existe un moyen d’extraire ces gouttelettes avec très peu d’énergie. Par exemple en créant des points de collecte ouverts dans le film, en utilisant des ultrasons pour projeter les gouttelettes et les faire fusionner, ou en formant le film sur un matériau capable de se saturer en eau afin que les nouvelles gouttelettes rejoignent plus facilement l’écoulement
https://en.wikipedia.org/wiki/Volume_fraction
À moins qu’un indice important ne soit caché quelque part dans l’article, cette affirmation semble incompatible avec le deuxième principe de la thermodynamique
Ils affirment que des gouttelettes d’eau se condensent sur un nanomatériau à température constante et à une humidité relative inférieure à 100 %. D’après la thermodynamique telle qu’on la connaît, c’est absolument interdit. Dans ces conditions, de la condensation peut se produire sur des surfaces concaves à l’intérieur de pores, mais pas sous forme de gouttelettes convexes sur une surface plane
L’explication selon laquelle le composant hydrophobe « essorerait » l’eau vers la surface est également absurde. La condensation s’arrêterait avant tout débordement. Pour que de l’eau condensée dans des pores concaves soit poussée vers l’extérieur sous forme de gouttelettes convexes, la pression hydrostatique devrait être à la fois positive et négative
Les explications possibles se limitent à peu près à 1) une surface contaminée, 2) une erreur d’étalonnage de l’humidité relative, ou 3) une plaque de refroidissement maintenant le matériau plus froid que l’environnement, mais omise de la description
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349
L’humidité diffuse dans tous les matériaux et s’évapore en fonction des zones où la pression de vapeur est plus faible. C’est aussi pour cela qu’à 40 % d’humidité relative les lèvres se dessèchent, alors qu’à 70 % elles restent humides
Ce dont il est question ici, c’est la condensation, qui se produit lorsque l’air devient sursaturé à cause d’une baisse de température, mais cela ne semble pas être le cas ici
En théorie, il pourrait exister un matériau qui absorbe la forte humidité de l’air, favorise la formation de gouttelettes grâce à ses propriétés microscopiques, puis isole ces gouttelettes de l’air au moyen d’un matériau passif, comme une couche intelligente anti-humidité, afin de récolter l’eau
Ce qui est mouillé attire la poussière et les micro-organismes. Avec de la poussière et de l’eau, les micro-organismes prolifèrent encore davantage. Des lichens finiraient vite par y pousser
Reposté il y a quatre jours : https://news.ycombinator.com/item?id=44060712
Ils ont aussi vraiment réussi à donner l’impression que cela violait la thermodynamique. En réalité, ce n’est pas le cas, et les déshumidificateurs extraient déjà très bien l’eau de l’air au regard du coût énergétique à payer. Il faudrait donc un autre argument de vente, mais je ne le vois pas vraiment.
Les déshumidificateurs à condensation coûtent autant à faire fonctionner qu’un climatiseur, produisent une chaleur indésirable et sont bruyants. Les déshumidificateurs à dessiccant sont encore moins efficaces énergétiquement
S’il existe un moyen d’extraire l’humidité de l’air avec moins d’énergie et de bruit, ce serait énorme
L’article indique : « De façon surprenante, lorsque ce PINF nanoporeux amphiphile est exposé à des conditions fortement non saturées, c’est-à-dire une humidité relative (HR) < 100 %, des gouttelettes d’eau macroscopiques apparaissent spontanément à la surface du film, sans refroidissement »
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349
On obtient d’abord l’eau, puis le matériau se réchauffe un peu en conséquence, avant de pouvoir se refroidir passivement à nouveau jusqu’à la température ambiante
https://dune.fandom.com/wiki/Windtrap
J’aurais aimé que le communiqué de presse n’utilise pas l’expression « défie la physique ». Cela peut être une découverte importante pour les condenseurs d’eau, mais affirmer qu’aucune source d’énergie externe n’est nécessaire est gravement imprudent
Ils ont presque certainement fabriqué une sorte de rochet brownien : https://en.wikipedia.org/wiki/Brownian_ratchet
Les gens aiment prétendre qu’il n’y a pas de source d’énergie externe, mais quand on regarde de près, il y a une différence chaud-froid, et maintenir cette différence exige une énergie externe. Je parierais gros que le matériau est plus froid que son environnement, ou que l’humidité entrante est plus chaude que l’air ambiant. Cela peut aussi être une différence interne au matériau, ou l’éclairage du laboratoire qui chauffe un côté
Il existe aussi beaucoup de dispositifs passifs qui dépendent du cycle de température jour-nuit, mais là encore, c’est de l’énergie provenant du soleil
L’article dit qu’ils ont essayé d’exclure un gradient thermique en augmentant l’épaisseur du matériau, mais je ne vois pas en quoi cela l’exclut. Un gradient peut toujours exister
S’ils n’ont pas intentionnellement fourni d’énergie, le système est probablement très efficace, et cela resterait une avancée majeure. Mais je déteste qu’il semble falloir le présenter comme une machine à mouvement perpétuel pour attirer l’attention du public
Même si c’est un billet de blog et qu’on ne peut pas en attendre la rigueur d’un article relu par les pairs, cela finit par nuire à la science. Croire qu’un matériau magique va enfreindre la deuxième loi de la thermodynamique relève plus de l’alchimie que de la chimie
En supposant qu’ils aient contrôlé la température et l’humidité, le matériau devrait se réchauffer, ce qui semble pouvoir être géré passivement avec un dissipateur thermique. Si ce qu’ils décrivent est exact, c’est une avancée assez importante, et cela paraît plausible
Plutôt impressionnant. En gros, cela revient à transférer la différence thermodynamique nécessaire au cycle condensation-évaporation de la régulation du climat vers la régulation du matériau
Et si, à terme, on pouvait programmer la taille des pores ? On pourrait modifier au besoin l’équilibre entrée/sortie d’un réservoir. On peut imaginer des vêtements intelligents : quand il fait chaud, les pores s’agrandissent pour évacuer l’eau ; quand il fait froid, ils se resserrent pour que l’eau s’évapore moins
Cela dit, l’expression « violation de la physique » dans l’article me dérange
Sur le sujet, voir aussi https://en.wikipedia.org/wiki/Air_well_(condenser), https://en.wikipedia.org/wiki/Fog_collection, https://en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_water_generator
Le mécanisme du nouveau matériau est complètement différent. L’air ne semble pas devoir être saturé
Il existe déjà des matériaux qui retirent l’eau de l’air. Dans ces cas-là, l’eau reste absorbée. Celui-ci semble reposer sur un principe similaire, mais la vraie différence est que l’eau ne reste pas absorbée en permanence
Ce n’est pas Reddit ici, mais quand même
https://en.wikipedia.org/wiki/Dune_(novel)
Il faut comprendre que l’énergie minimale nécessaire pour séparer l’eau de l’air est bien supérieure à l’énergie minimale nécessaire pour séparer l’eau de l’eau salée
En raison de ce fait physique, le dessalement sera toujours forcément plus efficace que la récolte d’eau atmosphérique
Un dispositif qui ne demande aucun apport supplémentaire de consommables paraît assez intéressant. Il y aura sans doute beaucoup d’endroits où le fait de pouvoir utiliser de l’électricité, mais sans autre apport de matériaux, serait un avantage
Avec de l’électricité, on peut récolter de l’eau dans l’air n’importe où. Le dessalement, lui, produit généralement l’eau en bord de mer, puis il faut l’acheminer là où on en a besoin
Je n’ai aucune idée de savoir si les coûts de transport peuvent devenir assez élevés pour rendre la récolte d’eau plus efficace
Du point de vue du bilan énergétique et de la comparaison avec d’autres technologies, cela signifie qu’il n’est pas nécessaire d’apporter de l’énergie, puisque l’absorption et la condensation se produisent passivement au sein du même matériau.
La chaleur obtenue lors de l’absorption est évacuée lors de l’étape suivante de condensation. L’impact de cette découverte tient donc au fait qu’elle pourrait supprimer le besoin d’alimenter des climatiseurs, des déshumidificateurs ou les moisture vaporators de la crête sud.
Je teste souvent l’IA, et c’était un sujet intéressant pour voir comment un modèle réfléchit à une technologie sur laquelle il n’a probablement pas été entraîné. Grok a examiné le processus plus minutieusement que moi (B.S. ChemE).
https://grok.com/share/bGVnYWN5_e80e8100-3682-4157-879e-c5ca...
J’ai déjà construit quelque chose de similaire au milieu du Mojave, avec de la roche carbonatée, du charbon de bois et de gros tubes métalliques ondulés.
Cela produisait environ 3 gallons d’eau par nuit.
34.997387, -116.380048
Vous devriez voir le gros tuyau qui dépasse. Un hôtel de mineurs y est construit.