Un rivestimento innovativo previene i depositi di calcare

Serbatoi dell'acqua calda, lavatrici, bollitori: ogni elettrodomestico che entra in contatto con l'acqua (calda) si calcifica, soprattutto nelle zone con acqua dura, cioè ricca di calcare. Spesso l'unica soluzione è l'uso di aceto o di uno speciale disincrostante per sciogliere i depositi rocciosi e ripristinare la funzionalità dell'apparecchio.

Nelle abitazioni si tratta soprattutto di un fastidio, ma nelle centrali termiche è un problema importante e costoso. Infatti, anche le centrali elettriche di questo tipo, ad esempio quelle utilizzate per la produzione di energia elettrica, devono lottare contro il calcare. Il calcare si accumula soprattutto negli scambiatori di calore e riduce in modo significativo l'efficienza dei sistemi: uno strato di calcare di appena un millimetro di spessore nei tubi dello scambiatore di calore riduce l'efficienza della produzione di elettricità di circa l'1,5%. Per compensare la perdita a livello europeo, si dovrebbero bruciare altri 8,7 milioni di tonnellate di carbone fossile. Ciò è negativo per le emissioni di CO₂-Questo ha un impatto positivo sull'impronta di carbonio e sul clima ed è costoso per i produttori di elettricità.

Nuova superficie anticalcare

Un team di ricerca dell'ETH di Zurigo e dell'Università di Berkeley ha ora trovato una possibile soluzione a questo problema: uno speciale rivestimento anticalcare che presenta nervature microscopicamente piccole e impedisce l'adesione dei cristalli di calcare. Il relativo studio è stato appena pubblicato sulla rivista Science Advances.

Poiché in precedenza esistevano poche basi per lo sviluppo di superfici anticalcare, i ricercatori guidati dall'alumni Thomas Schutzius, professore dell'ETH, hanno studiato in dettaglio come i singoli cristalli di calcare in crescita, il flusso d'acqua circostante e la superficie interagiscono a livello microscopico.

Su questa base, il dottorando Julian Schmid e altri membri del team di Schutzius hanno sviluppato diversi rivestimenti con vari materiali morbidi e li hanno testati in laboratorio all'ETH di Zurigo.

L'idrogel con microstruttura è il più efficace

Il rivestimento più efficace si è rivelato essere un idrogel polimerico, la cui superficie è stata dotata di microscopiche nervature grazie alla fotolitografia di stampi.

La microstruttura dell'idrogel ricorda quella di formazioni preliminari naturali come le squame di squalo, anch'esse caratterizzate da una struttura a coste che impedisce la formazione di depositi superficiali negli squali.

Nel bollitore o nella caldaia, le nervature fanno sì che i cristalli di calcare abbiano meno contatto con la superficie, non possano aderire e possano quindi essere rimossi più facilmente. L'acqua che scorre sopra l'idrogel e attraverso la struttura a coste li sponsorizza. Il rivestimento non può impedire la formazione di alcuni cristalli di calcare. Tuttavia, la costante rimozione passiva dei cristalli microscopici impedisce ai cristalli di coagularsi in uno strato ostinato.

I ricercatori hanno innanzitutto variato il contenuto di polimeri nei diversi rivestimenti. Più basso è questo contenuto e più alto è il contenuto di acqua, meno i cristalli di carbonato di calcio aderiscono alla superficie.

I test condotti con particelle modello di polistirolo dimostrano che le strutture superficiali del rivestimento devono essere più piccole delle particelle che vi si depositano. Questo riduce la superficie di contatto e quindi la forza di adesione. "Abbiamo variato la struttura superficiale del materiale per ottenere la massima efficienza e abbiamo condotto gli esperimenti sui cristalli con questa struttura di dimensioni ottimali", spiega Schmid.

I loro esperimenti dimostrano che il rivestimento in idrogel è molto efficace: fino al 98% di tutti i cristalli di calcare con dimensioni di circa 10 micrometri che erano cresciuti in precedenza su una superficie rivestita di idrogel sono stati rimossi.

Soluzione ecologica

I ricercatori sottolineano che la loro soluzione è più ecologica ed efficiente rispetto ai precedenti approcci alla decalcificazione. Finora, infatti, sono state utilizzate sostanze chimiche tossiche e aggressive per questo scopo. L'idrogel, invece, è biocompatibile e rispettoso dell'ambiente. La tecnologia sarebbe inoltre scalabile. Sarebbe possibile applicare il rivestimento in vari modi che l'industria utilizza già oggi.

I ricercatori non hanno ancora depositato un brevetto per il loro sviluppo, ma hanno deliberatamente optato per la pubblicazione su una rivista scientifica. Ciò significa che chiunque sia interessato potrà sviluppare e utilizzare ulteriormente il nuovo rivestimento.

Thomas Schutzius ha ricevuto un ERC Starting Grant per questa ricerca nel 2019. Non lavora più all'ETH di Zurigo, ma è ora professore assistente di ingegneria meccanica alla UC Berkeley.