Design and Fabrication of a Laboratory Scale Hydromechanical Surface Floating Waste Collector Using River Flow

I fiumi sono le arterie del nostro pianeta, trasportano l'acqua dalle montagne al mare. Ma trasportano anche i sottoprodotti indesiderati della vita umana: bottiglie di plastica, imballaggi in polistirolo e detriti aggrovigliati. Quando questi rifiuti galleggiano sulla superficie, minacciano i pesci, gli uccelli e la qualità dell'acqua stessa. Per decenni, gli ingegneri hanno cercato di costruire macchine per raccogliere questa spazzatura dall'acqua. Molte di queste macchine si affidano all'elettricità o al carburante per far funzionare i loro motori, il che significa che necessitano di cavi di alimentazione, batterie o generatori. Questo crea un problema per i fiumi remoti dove non esiste una rete elettrica, e aggiunge costi e complessità allo sforzo di pulizia. La sfida, quindi, è creare un dispositivo che possa pulire il fiume utilizzando solo l'energia già presente nell'acqua: la sua stessa corrente.

Un team di ricercatori in Iran si è posto l'obiettivo di risolvere questo problema progettando un collettore di rifiuti galleggiante che funzioni interamente grazie alla forza del flusso del fiume. Hanno costruito un prototipo in scala di laboratorio per testare se un semplice sistema meccanico potesse intercettare i rifiuti, sollevarli dall'acqua e depositarli in un contenitore di stoccaggio senza alcuna fonte di energia esterna. Il dispositivo funziona come una ruota idraulica. Mentre la corrente del fiume spinge contro le pale attaccate a una grande ruota rotante, la ruota gira. Questa rotazione è collegata meccanicamente a un nastro trasportatore che si trova con un'inclinazione, uscendo dall'acqua. Mentre la ruota gira, aziona il nastro, che funge da rampa per trasportare i detriti galleggianti fuori dal fiume e in un serbatoio di raccolta. I ricercatori volevano trovare la combinazione perfetta di componenti per far sì che questo sistema funzionasse nel modo più efficiente possibile. Hanno testato diverse forme per le pale, diversi numeri di pale, diversi tipi di nastri trasportatori e diverse angolazioni per la rampa, osservando al contempo come la macchina operava in un fiume reale con velocità variabili.

Il team ha costruito una robusta struttura metallica che poteva essere regolata per posizionarsi alla giusta profondità nell'acqua. Nella parte anteriore, una grande ruota con pale attendeva la corrente. Dietro di essa, un sistema di trasporto era pronto a raccogliere il pescato. Per garantire che la spazzatura raggiungesse effettivamente la macchina, hanno attaccato lunghe braccia di guida che agivano come recinzioni, incanalando i detriti galleggianti verso l'ingresso. Hanno anche costruito un intelligente meccanismo di arresto: se il contenitore dei rifiuti si riempiva, un sensore rilevava il livello e fermava automaticamente la macchina per evitare l'overflow, segnalando che doveva essere svuotata. I ricercatori hanno portato questo dispositivo nel fiume Safarood, in Iran. Hanno testato il dispositivo in diverse condizioni, rilasciando vari tipi di rifiuti — che andavano dai volanti da badminton e pigne a bottiglie di plastica e pezzi di polistole — nell'acqua a monte per vedere se la macchina li avrebbe catturati.

Gli esperimenti hanno rivelato che non tutti i design funzionavano ugualmente bene. I ricercatori hanno scoperto che un braccio di guida rigido e dritto era molto superiore a uno flessibile, che tendeva a ondeggiare nella corrente e a far sfuggire la spazzatura. Hanno anche scoperto che un nastro trasportatore composto da segmenti modulari funzionava meglio di un sistema a catena, probabilmente perché i segmenti offrivano una presa migliore sulla spazzatura bagnata e scivolosa. Per quanto riguarda l'angolo del nastro trasportatore, una pendenza dolce di 30 gradi si è rivelata più efficace di una pendenza ripida di 60 gradi, permettendo ai rifiuti di scivolare verso l'alto più facilmente senza ricadere. Il fattore più critico, tuttavia, era il design della ruota rotante. Sebbene le pale piatte generassero più coppia (la forza di rotazione), i ricercatori hanno scoperto che le pale curve con dodici unità in rotazione creavano le migliori prestazioni complessive. Questa configurazione permetteva alla ruota di girare più velocemente e di catturare più oggetti in un dato tempo.

Quando il team ha messo in funzione la macchina con le sue impostazioni ottimali, i risultati sono stati incoraggianti. Con una velocità di flusso del fiume di 0,4 metri al secondo, il dispositivo ha raccolto con successo l'83 percento dei rifiuti galleggianti incontrati. Ha performato eccezionalmente bene con certi materiali, catturando il 100 percento delle bottiglie in polietilene tereftalato (PET) e del polistirene espanso (EPS), che sono comuni tra i rifiuti fluviali. Ha inoltre catturato il 93 percento del polietilene ad alta densità (HDPE) e l'84 percento del polietilene a bassa densità (LDPE). Tuttavia, lo studio ha anche evidenziato un chiaro limite: man mano che il fiume scorreva più velocemente, la macchina diventava meno efficiente. A una velocità di 1,1 metri al secondo, il tasso di raccolta scendeva al 71 percento. I ricercatori hanno spiegato che, a velocità più elevate, l'acqua si muove troppo velocemente perché i bracci di guida possano indirizzare efficacemente la spazzatura, e i detriti spesso scivolano oltre la macchina prima che possano essere sollevati.

Questo studio dimostra che un sistema idromeccanico a energia autonoma è una soluzione valida per la pulizia dei fiumi, in particolare nelle zone in cui l'elettricità è assente o costosa. Il dispositivo ha dimostrato di poter operare continuamente utilizzando solo l'energia cinetica dell'acqua, offrendo un'alternativa sostenibile alle barche alimentate a carburante o agli scooter elettrici. Sebbene la macchina abbia avuto difficoltà in correnti molto veloci, la sua alta efficienza in flussi moderati suggerisce che potrebbe essere uno strumento prezioso per la gestione dei rifiuti in molti corsi d'acqua naturali. I ricercatori hanno concluso che, calibrando attentamente le parti meccaniche — specificamente la forma delle pale, il numero di pale e l'angolo del nastro trasportatore — è possibile creare un pulitore robusto e indipendente dall'energia. Questo approccio offre una strada promettente per ridurre la quantità di plastica che viaggia dai fiumi verso gli oceani, affidandosi al potere del fiume stesso per guarire se stesso.