L’acqua, la nostra risorsa fondamentale, è oggi sotto pressione: sono molti i fattori che ne pregiudicano la disponibilità, non solo dal punto di vista della quantità, ma anche della qualità. Il Politecnico di Torino affronta queste sfide con un approccio interdisciplinare e con tecnologie avanzate, che guardano anche oltre la Terra: spaziando da sistemi innovativi per la gestione delle falde idriche più profonde a metodi per la depurazione dell’acqua estratta dal suolo lunare.

Ci aiuta a inquadrare il tema Rajandrea Sethi, coordinatore del centro interdipartimentale Clean Water Center (CWC) del Politecnico di Torino e docente di Ingegneria sanitaria ambientale: “L’acqua è vita, nel senso più letterale: è il solvente in cui avvengono tutte le reazioni biologiche, è componente essenziale di ogni organismo, è anche il mezzo attraverso cui le civiltà si sono sviluppate. Le Nazioni Unite l’hanno riconosciuta come diritto umano fondamentale nel 2010, eppure oggi oltre due miliardi di persone nel mondo non hanno accesso ad acqua potabile sicura, e circa tre miliardi e mezzo non dispongono di servizi igienico-sanitari adeguati”.

Una risorsa tanto essenziale quanto fragile. La sicurezza dell’acqua è oggi messa a repentaglio da una serie di fattori, che si intersecano e influenzano reciprocamente: “I cambiamenti climatici alterano le precipitazioni e intensificano siccità e alluvioni, la crescita demografica ed economica amplifica la domanda, l’inquinamento degrada la qualità delle risorse disponibili, mentre l’industria alimentare ed energetica ne consuma quantità enormi. Non si tratta di un problema lontano da noi: nel 2022, il 34% del territorio dell’Unione Europea ha attraversato un periodo di crisi idrica. E non si tratta di scenari futuri: è già il presente”.

Per fare fronte a queste sfide il Politecnico mette in campo competenze multi e interdisciplinari. Spiega ancora Sethi: “Un nesso fondamentale, intorno a cui ruota la nostra ricerca, è quello tra acqua ed energia, un ambito di studio importante nel nostro centro interdipartimentale, che coinvolge competenze diversificate. Non solo per produrre acqua pulita serve energia – la desalinizzazione in particolare è un processo molto energivoro – ma anche la produzione di energia richiede molto spesso acqua: al Politecnico affrontiamo tutta la catena di processi di depurazione, dall’inizio alla fine, dalla gestione di falde profonde fino ai sistemi innovativi di purificazione e riutilizzo dell’acqua nello spazio”.

Conferma Elio Chiavazzo, docente di Fisica tecnica industriale del Dipartimento Energia “Galileo Ferraris” (DENERG), tra i dipartimenti afferenti al centro, che coordina l’infrastruttura SMALL: “Le tematiche dell’acqua e quelle energetiche sono strettamente connesse: non a caso nella letteratura scientifica si parla di water-energy nexus, e una parte sostanziale della nostra ricerca è trovare pratiche che ottimizzino entrambe le componenti, in particolare con sistemi basati sullo sfruttamento dell’energia di scarto, in un’ottica di sostenibilità”.

In questo contesto, come sottolinea Costantino Manes, docente di Idraulica al Dipartimento di Ingegneria dell’ambiente, del territorio e delle infrastrutture (DIATI), che pure partecipa al CWC, la ricerca si muove lungo due binari paralleli, ma legati tra loro: “Da un lato, la necessità di purificare la risorsa acqua da minacce anche invisibili e da contaminanti emergenti; dall’altro, l’imperativo di proteggere le infrastrutture e gli ecosistemi dalle forzanti idrauliche, rese sempre più imprevedibili dal cambiamento climatico”.

Spiega ancora Sethi: “Una parte importante delle nostre attività è volta a migliorare la qualità dell’acqua, ed è quindi concentrata sul problema delle sostanze inquinanti, in particolare dei contaminanti emergenti, la cui pericolosità è emersa in tempi relativamente recenti”.
Si parla di composti farmaceutici, pesticidi, microplastiche e microfibre, e soprattutto dei famigerati PFAS, inquinanti, tra cui figurano sostanze cancerogene e interferenti endocrini, caratterizzati da un’estrema persistenza nel tempo e presenti in moltissimi prodotti di uso quotidiano, dalle giacche impermeabili alle padelle antiaderenti.  Al termine del loro ciclo di vita, queste sostanze possono disperdersi nell’ambiente e raggiungere le falde idriche. Come racconta Sethi: “Gli obiettivi della ricerca sono comprendere il comportamento nell'ambiente e l'impatto sanitario di questi contaminanti, studiare i processi di accumulo negli organismi viventi, sviluppare tecnologie per la loro rimozione e degradazione, e garantire la sicurezza delle acque”.

Ma questo è uno solo dei tanti campi di ricerca affrontati: il Clean Water Center – e più in generale la ricerca sull’acqua svolta al Politecnico – costituisce un intero ecosistema scientifico che riunisce dipartimenti e competenze di ingegneria chimica, dei materiali, ambientale, energetica, idraulica, elettronica e delle scienze di base, per sviluppare tecnologie innovative per garantire acqua di qualità e in quantità sufficiente. ’’

Ecco alcune delle aree di ricerca più importanti al CWC indicate da Sethi.

• Rimozione degli inquinanti. Si studiano sia processi a membrana avanzati, uno dei principali settori di competenza del CWC, che consistono in sistemi per filtrare l’acqua rimuovendone le sostanze inquinanti in modo efficace dal punto di vista ambientale ed efficiente dal punto di vista energetico; sia processi di ossidazione avanzata, utili per agire contro inquinanti particolarmente difficili da rimuovere con altri approcci.
• Dinamica dei fluidi. La ricerca ha l’obiettivo di comprendere la fisica soggiacente il comportamento dell’acqua nei sistemi naturali e industriali. Da un lato studia gli ambienti naturali, come fiumi e mari per proteggere infrastrutture e aree costiere da eventi estremi. Dall’altro si occupa della progettazione di impianti industriali, inclusi quelli dedicati all’abbattimento degli inquinanti.
• Dispositivi di monitoraggio. Si studiano e progettano sistemi in grado di monitorare diversi parametri dell’acqua, tra cui il livello di inquinamento, anche direttamente nei sistemi acquiferi, in tempo reale e fino a grandi profondità, anche dell’ordine di 200 metri, attraverso approcci sofisticati come la spettroscopia Raman.
• Studio delle falde idriche. Le ricerche si concentrano su due aspetti principali. Il primo riguarda la bonifica delle acque sotterranee contaminate, attraverso tecniche innovative che possono essere applicate direttamente in falda, anche mediante l’impiego di nanomateriali. Il secondo riguarda la ricarica controllata degli acquiferi, cioè l’immissione di acqua nel sottosuolo per aumentare le riserve disponibili e migliorarne la qualità, soprattutto nei periodi in cui i sistemi idrici sono sottoposti a maggiore stress.
• Sistemi di geotermia a bassa entalpia. Questa tecnologia sfrutta la temperatura relativamente stabile del sottosuolo e delle acque sotterranee, che può essere utilizzata come fonte o serbatoio di calore. Attraverso pompe di calore, anche differenze di temperatura modeste rispetto all’ambiente esterno possono essere impiegate per riscaldare o raffrescare gli edifici in modo estremamente efficiente. Le prestazioni di questi sistemi dipendono dalle caratteristiche del sottosuolo e, in particolare, dalla presenza e dal movimento dell’acqua sotterranea, che può contribuire allo scambio termico e aumentare l’efficacia dell’impianto.

Una parte rilevante delle risorse idriche della Terra non scorre in superficie: circa 10 milioni di chilometri cubi di acqua dolce si trovano nel sottosuolo, immagazzinatinelle falde idriche. Le falde alimentano pozzi e sorgenti, e permettono l’irrigazione agricola in molte regioni del mondo. Contaminarle – con solventi industriali, metalli pesanti, PFAS – significa compromettere risorse la cui rigenerazione richiede decenni o secoli.

L’approccio di trattamento più comunemente adottato consiste nell’estrazione dell’acqua, nella depurazione e nel successivo scarico in superficie: un approccio costoso, lento, e spesso poco efficace per i contaminanti più recalcitranti. DELTANOVA, spin-off del Politecnico di Torino, fondata nel 2020 da Carlo Bianco, ricercatore del DIATI, Rajandrea Sethi e Tiziana Tosco, docente di Ingegneria sanitaria e ambientale del DIATI, lavora con un metodo alternativo: la nanoremediation, ovvero la bonifica in situ attraverso iniezione di nanomateriali reattivi direttamente nel sottosuolo, là dove serve.

Come ci racconta Carlo Bianco, i nanomateriali, quali ferro zerovalente di dimensioni nanoscopiche, ma anche materiali più innovativi attualmente in corso di studio – vengono iniettati nel sottosuolo attraverso pozzi appositamente realizzati: “I nanomateriali si muovono più agevolmente, grazie alle ridotte dimensioni, attraverso i pori presenti nel sottosuolo, dove entrano in contatto con i contaminanti degradandoli rapidamente. Le dimensioni contano: lo stesso ferro, passando da dimensioni millimetriche a particelle nanoscopiche, aumenta la propria reattività di diversi ordini di grandezza. La ragione è semplice: una particella nanometrica espone al contaminante una superficie immensamente maggiore rispetto alla stessa massa di materiale granulare, riducendo significativamente i tempi di degradazione”.

Alcune di queste tecnologie sono già sul mercato: nanoparticelle di ferro zerovalente per la rimozione di solventi clorurati cancerogeni (come il tricloroetilene) sono state da noi applicate in siti contaminati in Italia, negli Stati Uniti e in Australia. Il portafoglio di brevetti del nostro gruppo di ricerca consta di sei titoli depositati. Altre tecnologie sono in fase di trasferimento dal laboratorio al campo, alla ricerca di siti pilota in cui testare approcci più innovativi: una ricerca delicata e volta alla tutela di una risorsa fondamentale per l’umanità.

L’acqua non è soltanto una risorsa da depurare, ma un elemento fondamentale dei sistemi naturali e un possibile fattore di rischio per l’uomo e l’ambiente costruito.
Il Laboratorio di Idraulica e meccanica dei fluidi del Politecnico, diretto da Costantino Manes, docente di Idraulica al DIATI, si occupa di quella che potremmo chiamare l’altra gamba della scienza dell’acqua: non il trattamento, ma lo studio del moto dell’acqua e della sua interazione con il mondo fisico e biologico, con tutte le sue molteplici – e talvolta sorprendenti – applicazioni.

Ponti fluviali più sicuri in un clima che cambia

I cambiamenti climatici stanno aumentando la frequenza e l’intensità delle piene fluviali, mettendo a rischio infrastrutture strategiche come i ponti. Come spiega Manes: “I ponti, progettati per regimi idrologici del passato, sono oggi sottoposti a nuove e più forti sollecitazioni. Il fenomeno più critico è lo scouring, cioè l’erosione del fondale attorno a pile e spalle causata dalla violenza della corrente durante le piene. I vortici turbolenti che si formano attorno alle pile rimuovono sedimenti e scavano buche che indeboliscono le fondazioni, rappresentando una delle principali cause di crollo dei ponti fluviali. Il nostro gruppo sviluppa modelli fisicamente basati, non puramente empirici, per prevedere la profondità dello scavo in funzione delle caratteristiche della piena, del sedimento e della geometria della pila. Si tratta di strumenti essenziali per progettare ponti più sicuri e per valutare il rischio idraulico delle infrastrutture esistenti, in un clima che cambia”.

Le piante che proteggono la costa: il progetto SHIEELD

I pericoli dell’acqua non vengono solo dai fiumi. Le coste sono esposte all’erosione e alle inondazioni marine, fenomeni che si intensificano con l’innalzamento del livello del mare e con la maggiore frequenza di eventi estremi. Il progetto SHIEELD (sviluppato con il ricercatore Davide Vettori grazie a un finanziamento dell'Unione Europea Marie Skłodowska-Curie) ha studiato il ruolo delle praterie marine (ad esempio di Posidonia Oceanica molto comune nei mari italiani) nel dissipare l’energia delle onde e quindi proteggere le coste dall’erosione.

Il punto critico è che le piante marine sono strutture flessibili, e il loro comportamento meccanico sotto l’azione di onde e correnti è difficile da descrivere. Racconta Manes: “Per studiarlo abbiamo dovuto ingegnarci, realizzando modelli in plastica con proprietà simili a quelle delle piante marine. Questo ci ha permesso di condurre numerosi esperimenti controllati in laboratorio, individuando i processi fisici che regolano la dissipazione dell’energia delle onde e sviluppando modelli predittivi. Uno dei lavori risultanti è stato pubblicato su PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences), ed è stato segnalato da Science come contributo di rilievo”.

L’idraulica industriale e biomedica

Il progetto Bubbles for Life sfrutta il fenomeno della cavitazione, cioè la formazione e il successivo collasso violento, nei liquidi, di bolle di vapore generate da improvvise variazioni di pressione. Spiega Manes: “Studiamo come sfruttare questo fenomeno per dilaniare meccanicamente i batteri quindi disinfettare l’acqua, senza l’uso di additivi chimici. Altre applicazioni si possono trovare nella lisi di microalghe per estrarre composti utili all’industria farmaceutica e cosmetica.

Ma l’idraulica si applica persino alla biomedica. Manes è inventore di uno stent per applicazioni urologiche, progettato per prevenire l’incrostazione e occlusione attraverso un’ottimizzazione della geometria dei fori drenanti, quindi solo attraverso metodi idrodinamici. Lo stent è stato già testato su decine di pazienti nel Regno Unito.

Studiare come nuotano i pesci per salvaguardarli

Ma forse l’applicazione più inattesa riguarda i pesci. La frammentazione fluviale, ovvero l’interruzione della continuità dei corsi d’acqua causata da dighe e sbarramenti, è uno dei principali fattori di declino degli ecosistemi fluviali, tra i più minacciati al mondo in termini di biodiversità: questi ostacoli impediscono infatti ai pesci di spostarsi a fini riproduttivi e per nutrirsi. Racconta Manes: “La risposta ingegneristica sono le scale per pesci, ovvero dei passaggi laterali, che consentono di bypassare gli sbarramenti. Per progettarli, occorre però capire bene di che cosa siano capaci i pesci dal punto di vista motorio. Lo studio, finanziato dal progetto europeo RIBES, ha permesso di quantificare la capacità dei pesci di nuotare controcorrente, testando gli animali in condizioni idrodinamiche controllate, in un canale progettato ad hoc. I risultati consentiranno di progettare le scale per pesci in modo più accurato e con minori margini di incertezza”. Un approccio che integra idraulica e biologia per tradurre la ricerca in una soluzione concreta per la tutela ambientale.