Un appareil de la taille d'une fenêtre capte l'air pour produire de l'eau potable

Les ingénieurs du MIT ont développé un récupérateur d’eau atmosphérique qui produit de l’eau douce n’importe où, même dans la Vallée de la Mort, en Californie.

Gros plan sur un nouveau matériau hydrogel inspiré de l'origami, conçu par des ingénieurs du MIT, qui gonfle pour absorber l'eau de l'air. Lorsque l'eau se condense hors du matériau à collecter, les sphères d'hydrogel se rétractent pour capter davantage d'humidité.

Aujourd'hui, 2,2 milliards de personnes dans le monde n'ont pas accès à l'eau potable. Aux États-Unis, plus de 46 millions de personnes souffrent d'insécurité hydrique, vivant soit sans eau courante, soit avec une eau impropre à la consommation. Le besoin croissant en eau potable épuise les ressources traditionnelles telles que les rivières, les lacs et les réservoirs.

Pour améliorer l'accès à une eau potable sûre et abordable, les ingénieurs du MIT exploitent une source non conventionnelle : l'air. L'atmosphère terrestre contient des millions de milliards de litres d'eau sous forme de vapeur. Si cette vapeur pouvait être efficacement captée et condensée, elle pourrait fournir de l'eau potable là où les ressources en eau traditionnelles sont inaccessibles.

Dans cet objectif, l’équipe du MIT a développé et testé un nouveau récupérateur d’eau atmosphérique et a montré qu’il capte efficacement la vapeur d’eau et produit de l’eau potable dans une gamme d’humidités relatives, y compris l’air sec du désert.

Le nouveau dispositif est un panneau vertical noir, de la taille d'une fenêtre, fabriqué à partir d'un hydrogel absorbant l'eau, enfermé dans une chambre en verre recouverte d'une couche de refroidissement. L'hydrogel ressemble à du papier bulle noir, avec de petites structures en forme de dôme qui gonflent lorsqu'il absorbe la vapeur d'eau. Lorsque la vapeur captée s'évapore, les dômes se rétractent, comme un origami. La vapeur évaporée se condense ensuite sur le verre, où elle peut s'écouler par un tube, sous forme d'eau propre et potable.

Des ingénieurs du MIT testent un récupérateur d'eau passif dans la Vallée de la Mort, en Californie. Ce dispositif, de la taille d'une fenêtre, est fabriqué à partir d'un matériau hydrogel (noir) inspiré de l'origami. Il absorbe l'eau de l'air et la libère dans des tubes où les chercheurs peuvent récupérer l'humidité pour la transformer en eau potable pure.

Le système fonctionne entièrement de manière autonome, sans source d'énergie, contrairement à d'autres modèles qui nécessitent des batteries, des panneaux solaires ou l'électricité du réseau. L'équipe a fait fonctionner l'appareil pendant plus d'une semaine dans la Vallée de la Mort, en Californie, la région la plus sèche d'Amérique du Nord. Même dans des conditions de très faible humidité, l'appareil a extrait de l'air jusqu'à 160 millilitres (environ deux tiers de tasse) d'eau potable par jour.

L'équipe estime que plusieurs panneaux verticaux, disposés en petit réseau, pourraient alimenter passivement un foyer en eau potable, même dans des environnements désertiques arides. De plus, la production d'eau du système devrait augmenter avec l'humidité, permettant ainsi de fournir de l'eau potable dans les climats tempérés et tropicaux.

« Nous avons construit un dispositif de l'ordre du mètre que nous espérons déployer dans les régions aux ressources limitées, où même une cellule solaire est difficilement accessible », explique Xuanhe Zhao, professeur Uncas et Helen Whitaker de génie mécanique et de génie civil et environnemental au MIT. « Il s'agit d'un test de faisabilité pour le développement à grande échelle de cette technologie de récupération d'eau. Il est désormais possible de le construire à plus grande échelle, ou de le transformer en panneaux parallèles, afin d'alimenter la population en eau potable et d'obtenir un impact réel. »

Zhao et ses collègues présentent les détails du nouveau système de récupération d'eau dans un article paru aujourd'hui dans la revue Nature Water . L'auteur principal de l'étude est « Will » Chang Liu, ancien postdoctorant du MIT et actuellement professeur adjoint à l'Université nationale de Singapour (NUS). Parmi les coauteurs du MIT figurent Xiao-Yun Yan, Shucong Li et Bolei Deng, ainsi que des collaborateurs de plusieurs autres institutions.

Capacité de charge

Les hydrogels sont des matériaux souples et poreux, composés principalement d'eau et d'un réseau microscopique de fibres polymères interconnectées. L'équipe de Zhao au MIT a principalement exploré l'utilisation des hydrogels dans des applications biomédicales, notamment  les revêtements adhésifs pour implants médicaux ,  les électrodes souples et flexibles et  les autocollants d'imagerie non invasifs .

« Grâce à notre travail avec des matériaux souples, nous connaissons très bien la propriété de l’hydrogel qui absorbe très bien l’eau de l’air », explique Zhao.

Les chercheurs explorent plusieurs méthodes pour capter la vapeur d'eau et en faire de l'eau potable. Parmi les plus efficaces à ce jour figurent les dispositifs fabriqués à partir de structures organométalliques (MOF), des matériaux ultraporeux qui ont également démontré leur capacité à capter l'eau de l'air sec du désert. Cependant, ces MOF ne gonflent pas et ne s'étirent pas lorsqu'ils absorbent l'eau, et leur capacité de transport de vapeur est limitée.

L'eau de l'air

Le nouveau récupérateur d'eau à base d'hydrogel du groupe résout un autre problème majeur rencontré avec des conceptions similaires. D'autres groupes ont conçu des récupérateurs d'eau à partir d'hydrogels micro- ou nanoporeux. Cependant, l'eau produite par ces conceptions peut être salée, nécessitant une filtration supplémentaire. Le sel est un matériau naturellement absorbant, et les chercheurs incorporent des sels – généralement du chlorure de lithium – dans l'hydrogel pour augmenter son absorption d'eau. L'inconvénient, cependant, est que ce sel peut s'échapper avec l'eau lors de sa récupération.

La nouvelle conception de l'équipe limite considérablement les fuites de sel. L'hydrogel lui-même contient un ingrédient supplémentaire : du glycérol, un composé liquide qui stabilise naturellement le sel, le maintenant à l'intérieur du gel plutôt que de le laisser cristalliser et s'échapper avec l'eau. La microstructure de l'hydrogel est dépourvue de pores nanométriques, ce qui empêche le sel de s'échapper. Les concentrations de sel dans l'eau collectée étaient inférieures au seuil standard pour une eau potable sûre, et nettement inférieures aux concentrations produites par de nombreux autres modèles à base d'hydrogel.

Outre le perfectionnement de la composition de l'hydrogel, les chercheurs ont amélioré sa forme. Plutôt que de conserver le gel sous forme de feuille plane, ils l'ont moulé en un motif de petits dômes ressemblant à du papier bulle, augmentant ainsi sa surface et sa capacité d'absorption de vapeur d'eau.

Les chercheurs ont fabriqué un demi-mètre carré d'hydrogel et l'ont enfermé dans une chambre en verre semblable à une fenêtre. Ils ont recouvert l'extérieur de la chambre d'un film polymère spécial, qui contribue à refroidir le verre et stimule l'évaporation et la condensation de la vapeur d'eau contenue dans l'hydrogel sur le verre. Ils ont installé un système de tuyauterie simple pour recueillir l'eau qui s'écoule le long du verre.

En novembre 2023, l'équipe s'est rendue dans la Vallée de la Mort, en Californie, et a installé le dispositif sous forme de panneau vertical. Pendant sept jours, ils ont mesuré l'absorption de vapeur d'eau par l'hydrogel pendant la nuit (heure à laquelle la vapeur d'eau est la plus élevée dans le désert). Le jour, grâce au soleil, l'eau récoltée s'est évaporée de l'hydrogel et s'est condensée sur le verre.

Durant cette période, l'appareil a fonctionné avec une humidité variable, de 21 à 88 %, et a produit entre 57 et 161,5 millilitres d'eau potable par jour. Même dans les conditions les plus sèches, il a récolté plus d'eau que d'autres modèles passifs et que certains modèles à alimentation active.

« Il ne s'agit que d'une démonstration de faisabilité, et nous pouvons optimiser de nombreux aspects », explique Liu. « Par exemple, nous pourrions opter pour une conception à panneaux multiples. Nous travaillons également sur une nouvelle génération de matériau afin d'améliorer encore ses propriétés intrinsèques. »

« Nous imaginons qu'un jour, on pourrait déployer un ensemble de ces panneaux, et leur encombrement est très réduit car ils sont tous verticaux », explique Zhao, qui prévoit de tester les panneaux dans de nombreuses régions aux ressources limitées. « On pourrait alors regrouper plusieurs panneaux, collectant l'eau en permanence, à l'échelle d'un foyer. »

https://news.mit.edu/2025/window-sized-device-taps-air-safe-drinking-water-0611