
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 duri come la roccia e ripristinare la funzionalità dell’apparecchio.
Nelle abitazioni si tratta soprattutto di un fastidio, ma nelle centrali termiche è un problema grave e costoso. Infatti, anche le centrali elettriche di questo tipo, ad esempio quelle utilizzate per la produzione di energia elettrica, lottano 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 il bilancio delle emissioni di CO2, per il clima e costoso per i produttori di elettricità.
Una nuova superficie repellente al calcare
Un team di ricerca del Politecnico di Zurigo e dell’Università di Berkeley ha ora trovato una possibile soluzione a questo problema: uno speciale rivestimento anticalcare che presenta creste 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 repellenti al calcare, i ricercatori guidati dall’ex professore dell’ETH Thomas Schutzius 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, Julian Schmid, dottorando di Schutzius, e altri membri del team hanno sviluppato diversi rivestimenti con vari materiali morbidi e li hanno testati nel laboratorio del Politecnico di Zurigo.
L’idrogel con microstruttura è il più efficace
Il rivestimento più efficace è risultato 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 modelli naturali come le squame di squalo, che presentano anch’esse una struttura a coste, che sopprime la formazione di placche 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 nervature li porta via. 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 variato soprattutto 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 l’area di contatto e quindi la forza adesiva. "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.
Gli esperimenti dimostrano che il rivestimento in idrogel è molto efficace: fino al 98% di tutti i cristalli di calce con dimensioni di circa 10 micrometri cresciuti in precedenza su una superficie rivestita di idrogel sono stati rimossi.
Una 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 tutte le parti interessate sono libere di sviluppare e utilizzare ulteriormente il nuovo rivestimento.
Thomas Schutzius ha ricevuto una sovvenzione di avviamento ERC per questa ricerca nel 2019. Non lavora più al Politecnico di Zurigo, ma è ora professore assistente di ingegneria meccanica alla UC Berkeley.