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Sostenibilità e sicurezza idrica per tutti

Le infrastrutture idriche e igienico-sanitarie costruite nel XX secolo sono uno dei più grandi successi ingegneristici dell’epoca. Oggi serve un’innovazione maggiore.

di John H. Lienhard V
27 maggio 2020
17 min di lettura
diJohn H. Lienhard V
27 maggio 2020
17 min di lettura

Un progetto del Massachusetts Institute of Technology (MIT)

Nel 1943 lo psicologo Abraham Maslow ha proposto una gerarchia universale dei bisogni umani, rappresentandola come una piramide suddivisa in cinque livelli orizzontali disposti in ordine crescente di complessità man mano che ci si avvicina al vertice: bisogno di sicurezza, bisogno di affetto e appartenenza, bisogno di stima e, infine, bisogno di autorealizzazione. Alla base della piramide, però, Maslow ha posto i nostri bisogni fisiologici, tra cui aria, acqua e cibo. Se non si soddisfano quei bisogni fondamentali, è impossibile realizzare i livelli superiori del potenziale umano.

Per soddisfare questi bisogni fondamentali, l’uomo ha inventato numerose tecnologie: dalle brocche, i pozzi e gli acquedotti dell’antichità agli impianti di trattamento e desalinizzazione delle acque industriali che oggi approvvigionano le città di tutto il mondo. In effetti, le infrastrutture idriche e igienico-sanitarie costruite nel XX secolo, che hanno ridotto sensibilmente la mortalità e aumentato la nostra qualità di vita, sono uno dei più grandi successi ingegneristici dell’epoca.

Oggi serve un’innovazione tecnologica di portata ancora maggiore per garantire alle popolazioni attuali e future un accesso sicuro all’acqua pulita. La rapida espansione delle città comporta una domanda di acqua dolce superiore alla disponibilità dei bacini idrografici locali. Industrie e utenze domestiche continuano a scaricare effluenti in corsi d’acqua e oceani. L’aggravarsi della crisi climatica sta alterando il normale andamento delle precipitazioni in tutto il mondo, mettendo a dura prova le infrastrutture esistenti, la produzione alimentare e gli ecosistemi da cui dipendiamo. Benché a essere particolarmente colpite siano le regioni aride, la carenza idrica è ormai un fenomeno globale.

Al Massachusetts Institute of Technology (MIT), dove lavoro, ricercatori appartenenti a diverse aree disciplinari sono alla ricerca di soluzioni mediante lo sviluppo di nuove tecnologie, politiche migliori e nuovi modelli di business, in molti casi pensati per un contesto culturale specifico. L’Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS) del MIT sta sostenendo gran parte di questo lavoro con sovvenzioni, aiuti alla commercializzazione e partnership industriali. Di seguito alcune delle iniziative intraprese per garantire a tutti un futuro di sicurezza idrica.

L’acqua per uso agricolo

Il consumo di acqua in agricoltura è circa 7-8 volte superiore a quello dei centri urbani. Questa domanda elevata, unitamente a una gestione inefficiente di risorse sempre più scarse e alle conseguenze dei cambiamenti climatici, rende vulnerabili i nostri sistemi alimentari.

Il più delle volte, per esempio, per irrigare i terreni agricoli si utilizzano le acque di superficie. Tuttavia, in aree come l’Australia meridionale, siccità prolungate e incendi indomabili hanno ridotto le riserve idriche superficiali e diminuito la qualità dell’acqua, portando gli agricoltori locali a registrare un aumento dei costi idrici del 300 percento, il che ne ha ridotto fortemente i margini di profitto. Per irrigare i campi, inoltre, sono state prelevate quantità eccessive di acqua dalle riserve sotterranee: in alcune zone dell’India e nelle Alte Pianure statunitensi (che essendo molto aride necessitano di un’irrigazione estensiva) l’eccessivo pompaggio di acqua e l’eccessivo utilizzo di pesticidi e fertilizzanti hanno provocato l’abbassamento dei livelli freatici e la contaminazione dell’acqua potabile. In Egitto, la crescita demografica mette a dura prova il fiume Nilo, indispensabile per l’agricoltura del paese, mentre il progetto idroelettrico della “Grande diga del rinascimento etiope” in costruzione sul Nilo Azzurro minaccia di ridurne il flusso d’acqua negli anni che impiegherà a riempirsi. Gestire in modo più efficace riserve come queste è essenziale per la sicurezza alimentare e idrica nel lungo periodo.

Una tecnologia di irrigazione a basso costo ed efficiente dal punto di vista idrico può proteggere agricoltori di ogni reddito in tutto il mondo. Amos Winter, docente di ingegneria meccanica presso il MIT, sta sviluppando sistemi di irrigazione a goccia a bassa pressione alimentati a energia solare in grado di ridurre fino al 60 percento il consumo idrico di un’azienda agricola. Il suo lavoro si rivolge agli agricoltori dell’India e di altre aree del mondo in via di sviluppo, dove l’irrigazione fa spesso affidamento su pompe diesel inefficienti o sulla tecnica tradizionale della sommersione.

Che dire delle colture alimentari che meglio si adattano allo stress climatico? I progressi delle scienze biologiche consentono una coltivazione più rapida ed efficace rispetto al tradizionale (e lento) processo di ibridazione. David Des Marais, docente di ingegneria civile e ambientale presso il MIT, e Caroline Uhler, docente di informatica, stanno lavorando a un progetto finanziato dal J-WAFS al fine di individuare le basi genetiche della tolleranza delle piante al calore e alla siccità. Sfruttando l’apprendimento automatico, i due ricercatori mirano a identificare le reti geniche che conferiscono ad alcune graminacee simili a riso e frumento la capacità di resistere alla siccità. La loro ricerca spianerà la strada all’ibridazione accelerata delle colture alimentari attraverso uno specifico editing genomico. Queste nuove varietà dovrebbero produrre più cereali con meno acqua e garantire la sopravvivenza delle colture in un clima sempre più variabile. Oltre a sviluppare soluzioni dal lato dell’offerta, è fondamentale gestire meglio la domanda. Per esempio, un terzo dei cereali coltivati in tutto il mondo è utilizzato come foraggio per alimentare il bestiame. E la produzione di alcuni alimenti, in particolare la carne di manzo, richiede quantità di acqua molto maggiori. Per chi non è vegetariano, anche un piccolo cambiamento a favore di un’alimentazione a base vegetale può contribuire a ridurre il carico sull’acqua e sui terreni agricoli.

L’acqua per il consumo umano

A livello globale, utilizziamo il 10 percento dell’acqua dolce per bere, lavarci e altri usi domestici. L’acqua per il consumo umano e per l’uso domestico deve affrontare numerose sfide: l’estesa tendenza all’urbanizzazione, la crescita demografica e l’evoluzione del tenore di vita. Di norma, le aree urbane attingono l’acqua da bacini idrografici contigui: fiumi o laghi e i terreni che li alimentano. Tuttavia, quando il fabbisogno della popolazione eccede la quantità di acqua che si può prelevare in modo affidabile nelle vicinanze, è necessario fare ricorso ad altre risorse.

Desalinizzazione

Negli ultimi cinquant’anni, gli impianti di desalinizzazione hanno ricoperto un ruolo sempre maggiore nel compensare la scarsità di acqua dolce. Tuttavia, la desalinizzazione è un processo che ha origini antiche. Nell’antichità, per produrre acqua dolce, si faceva bollire direttamente l’acqua di mare e si condensava il vapore. Quella vaporizzazione consumava una grande quantità di combustibile. Oggi, gli impianti di desalinizzazione più efficienti non usano affatto il riscaldamento, ma sottopongono l’acqua di mare a pressioni elevate per forzarla attraverso sottili membrane polimeriche, in un processo chiamato osmosi inversa (RO).

Grazie allo sviluppo tecnologico, la quantità di energia utilizzata nel processo di desalinizzazione è diminuita drasticamente. Ma questo tipo di miglioramento ha dei limiti. La desalinizzazione non potrà mai essere a “energia zero”, sia perché l’acqua deve essere pompata e pretrattata sia perché la termodinamica stabilisce un’energia minima per separare la frazione salina dall’acqua. Ciò nonostante, costo e impronta di carbonio continuano a diminuire man mano che i processi migliorano. Soprattutto, gli impianti a osmosi inversa sono alimentati a energia elettrica e si integrano facilmente in una rete elettrica a basse emissioni di carbonio (basata magari sull’energia solare o eolica, come segnala uno studio condotto dal J-WAFS nel 2016). In tutto il Medio Oriente, i processi di osmosi inversa su grande scala alimentati da fonti di energia rinnovabile sono la prima scelta dei progettisti nel caso di molti nuovi impianti di desalinizzazione.

Un esempio su scala comunitaria è Água Doce, un programma del governo brasiliano avviato nel 2004 che promuove un uso sostenibile delle acque salmastre sotterranee nelle comunità rurali. Água Doce ha installato più di 600 piccoli impianti di desalinizzazione in tutta la regione semiarida del Brasile orientale, grazie ai quali oggi centinaia di migliaia di persone ricevono acqua potabile. Gli obiettivi del programma includono l’emancipazione delle comunità, la sostenibilità ambientale e lo sviluppo di capacità tecniche. Analogamente, la ricerca del MIT ha messo a punto diverse tecnologie di desalinizzazione a energia solare su piccola scala che utilizzano non solo l’osmosi inversa, ma anche l’elettrodialisi e dissalatori a energia solare ad alte prestazioni.

Depurazione e rilevamento

Le forniture di acqua pulita dipendono dall’efficacia della potabilizzazione dell’acqua e del trattamento delle acque reflue: è necessaria, dunque, una vigilanza costante. Per esempio, infrastrutture obsolete o variazioni delle condizioni ambientali possono contaminare l’acqua potabile con metalli pesanti. Per ovviare a ciò, i ricercatori si stanno concentrando su nuove tecnologie in grado di rimuovere dall’acqua piombo, arsenico, uranio e altri elementi. Tim Swager, docente di chimica presso il MIT, sta progettando polimeri in grado di rimuovere selettivamente dall’acqua il mercurio e gli ioni del piombo. Julia Ortony, docente di scienza e ingegneria dei materiali, ha realizzato nano-nastri auto-assemblanti che catturano l’arsenico, mentre Zachary Smith, docente di ingegneria chimica, sta utilizzando reticoli metallorganici per la rimozione selettiva del boro, un micronutriente essenziale per piante e animali che diventa tossico a concentrazioni elevate.

Anche i microinquinanti industriali sono bersaglio delle nuove tecnologie. Dal momento che queste sostanze chimiche nocive presentano spesso basse concentrazioni, i metodi tradizionali di trattamento delle acque non sono in grado di rimuoverle. Alan Hatton, docente di ingegneria chimica presso il MIT, ha creato elettrodi regolabili chimicamente che catturano inquinanti organici specifici. Patrick Doyle, anch’egli docente di ingegneria chimica, sta sviluppando uno speciale idrogel per il trattamento delle acque che si può “regolare” in modo che assorba selettivamente sostanze contaminanti organiche dalle acque reflue industriali e agricole.

Le aree a basso reddito, che non dispongono di infrastrutture idriche affidabili, necessitano di tecnologie open source a basso costo per analizzare e depurare l’acqua. Susan Murcott, ingegnere ambientale presso il MIT, ha dedicato la sua carriera alla ricerca di tecnologie accessibili per la fornitura di acqua e servizi igienico-sanitari nei paesi in via di sviluppo. Più recentemente, ha creato un kit di analisi portatile a basso costo per rilevare la presenza di E. coli nell’acqua potabile. La ricercatrice ha distribuito questi kit in Nepal lavorando con il J-WAFS, la MIT-Nepal Initiative (guidata dal docente di storia Jeffrey Ravel) e la ONG nepalese Environment and Public Health Organization (ENPHO). Questo nuovo kit è pronto a raggiungere milioni di cittadini nepalesi che altrimenti rischierebbero di contrarre malattie trasmesse con l’acqua.

I ricercatori di ingegneria meccanica del MIT e il MIT D-Lab (un centro del MIT che affronta lo sviluppo internazionale con una mentalità progettuale) hanno lavorato sia nelle aree rurali dell’India settentrionale sia nei bassifondi di Delhi per sviluppare un sistema di filtrazione dell’acqua a basso costo. La loro tecnologia sfrutta le naturali capacità di filtrazione dello xilema, un tessuto ricavato dalle conifere. Il team di ricerca ha impiegato queste tecnologie in prodotti adattati alla cultura locale lavorando a stretto contatto con i partner in loco e hanno immesso sul mercato il progetto come tecnologia open source. Il risultato? Presto i piccoli imprenditori indiani commercializzeranno i dispositivi di filtrazione che utilizzano lo xilema, fabbricandoli localmente e vendendoli nelle rispettive comunità.

Gestione delle risorse idriche

Per garantire maggiore resilienza ai nostri sistemi idrici è necessaria una gestione completa delle risorse idriche. A livello urbano, uno degli obiettivi principali è di migliorare la gestione dell’acqua piovana. A tale scopo, bisognerebbe ricostituire le falde acquifere ed evitare il deflusso di sostanze inquinanti negli ecosistemi circostanti. Nel 2017, un team di ingegneri civili e architetti del paesaggio del MIT ha reso noti alcuni progetti per la realizzazione di paludi urbane alimentate ad acqua piovana che rispettano questi obiettivi. I loro progetti garantiscono un trattamento naturale delle acque, la protezione dalle alluvioni, lo stoccaggio dell’acqua, habitat per la fauna selvatica e invitanti parchi urbani.

Anche ridurre lo spreco nei sistemi idrici esistenti è essenziale. I parametri di efficienza idrica, come quelli fissati per sciacquoni per WC e soffioni per doccia a basso flusso, hanno permesso risparmi idrici enormi là dove sono stati applicati. Nei climi aridi, si sta assistendo alla progressiva sostituzione dei prati all’inglese con giardini di piante resistenti alla siccità per ridurre al minimo l’irrigazione (xeriscaping). Anche rilevare e arginare efficacemente le perdite nelle condutture dell’acqua urbane riduce gli sprechi: in molte parti del mondo, le perdite d’acqua dalle tubature sotterranee costituiscono dal 20 al 50 percento della fornitura iniziale! A questo scopo, la startup del MIT WatchTower Robotics utilizza robot galleggianti per ispezionare le condutture dell’acqua dall’interno. Tecnologie come questa sono in grado di rilevare perdite che altrimenti potrebbe essere molto difficile individuare e possono riconoscere i problemi nelle tubature prima che siano catastrofici. Si calcola che solo negli Stati Uniti le 240.000 rotture che si verificano ogni anno nelle condutture dell’acqua sprechino oltre settemila miliardi di litri di acqua potabile trattata. La manutenzione preventiva può far risparmiare acqua, energia e denaro.

Preservare l’acqua significa inoltre ottenere una maggiore circolarità dei consumi attraverso il riutilizzo delle acque reflue. In California, il sistema di reintegrazione delle acque sotterranee del distretto idrico di Orange County recupera le acque reflue che prima sarebbero state scaricate nell’Oceano Pacifico. Le acque reflue vengono trattate mediante microfiltrazione, osmosi inversa, luce ultravioletta e perossido di idrogeno, rendendo l’acqua sufficientemente pura da rispettare i parametri statali e federali in materia di acqua potabile. L’acqua pulita viene pompata in pozzi di iniezione e bacini di ricarica, che reintegrano le profonde falde acquifere del bacino sotterraneo delle aree settentrionali e centrali della contea di Orange, da cui si attinge la fornitura di acqua potabile. Analogamente, PUB (la società che gestisce le risorse idriche di Singapore) è stata estremamente efficace nel mobilitare l’opinione pubblica a sostegno del riutilizzo dell’acqua. L’acqua “usata” viene trattata fino a renderla potabile ed etichettata NEWater. Cinque impianti di riciclaggio NEWater forniscono il 40 percento dell’attuale fabbisogno idrico di Singapore. PUB prevede di aumentare la capacità produttiva di NEWater per soddisfare fino al 55 percento della domanda di acqua entro il 2060.

Prospettive

Garantire a tutti acqua sicura, sufficiente e sostenibile è una delle sfide più urgenti del XXI secolo. L’approvvigionamento idrico è già una fatica quotidiana per miliardi di persone e i cambiamenti climatici e la crescita demografica stanno aggravando la carenza idrica e i conflitti causati dall’acqua. Dobbiamo impegnarci al massimo, non solo nei settori dell’ingegneria e della tecnologia, ma anche nella gestione integrata dell’acqua e nella collaborazione tra discipline, istituzioni, stati e nazioni. Se collaboriamo, possiamo garantire il futuro delle nostre comunità e delle nostre aziende agricole (nonché la prosperità delle nostre economie) ancora per molti decenni.

 

L’autore: John H. Lienhard V

È Professore e Direttore dell’Abdul Latif Jameel World Water and Food Security Lab del MIT (Massachusetts Institute of Technology). Negli ultimi trent’anni, Lienhard ha concentrato la sua attività didattica e di ricerca presso la facoltà del MIT sulla depurazione e la dissalazione dell’acqua, sul trasferimento di calore e di massa e sulla termodinamica.