Scienziati di Stanford convertono rifiuti umani in energia senza usare fertilizzanti e rete elettrica
Hanno sviluppato un prototipo che utilizza l'urina umana per generare un prezioso fertilizzante e offre anche soluzioni igieniche ed energetiche in regioni con risorse limitate.
Un sistema recentemente sviluppato da scienziati, trasforma i rifiuti umani (urina) in un potente strumento per generare energia e un’agricoltura redditizia e sostenibile, in regioni con risorse limitate.
Il prototipo, descritto in uno studio guidato da Stanford e pubblicato il 19 agosto su Nature Water, recupera un prezioso fertilizzante dall’urina tramite energia solare, che può anche generare energia per altri usi. Inoltre, durante il processo, il sistema fornisce un servizio igienico essenziale, rendendo le acque reflue più sicure per lo scarico o il riutilizzo per l’irrigazione.
Prototipo rivoluzionario che cattura l’azoto dall’urina
La cattura distribuita di azoto dall’urina, tramite energia solare, aiuta a gestire il ciclo dell’azoto e aumenta l’accesso a fertilizzanti, servizi igienici ed elettricità.
Gli scienziati hanno testato un sistema di estrazione elettrochimica (ECS) fotovoltaico-termico, noto come solar-ECS, che recupera fertilizzante di solfato di ammonio da urina reale, indipendentemente dalla rete elettrica.
L’azoto è un componente chiave dei fertilizzanti commerciali. Tradizionalmente, viene prodotto tramite un processo ad alto consumo di carbonio e distribuito a livello globale da grandi impianti industriali, molti dei quali situati in paesi ricchi, il che porta a prezzi più alti nei paesi a basso e medio reddito.
Per dare un’idea dell’importanza di questo prototipo, a livello globale, l’azoto presente nell’urina umana equivale a circa il 14% della domanda annuale di fertilizzanti.
Invece, questo prototipo separa l’ammoniaca (composta da azoto e idrogeno) dall’urina attraverso una serie di camere separate da membrane. Utilizza elettricità generata dal sole per spingere gli ioni e, infine, intrappolare l’ammoniaca sotto forma di solfato di ammonio, un fertilizzante comune.
Il riscaldamento del sistema, tramite il calore residuo raccolto dalla parte posteriore dei pannelli solari fotovoltaici con una piastra fredda di rame, aiuta ad accelerare il processo stimolando la produzione di gas ammoniaca, l’ultima fase della separazione. I pannelli solari producono anche più elettricità a temperature più basse, quindi la raccolta del calore residuo contribuisce a mantenerli freschi ed efficienti.
Un sistema, molteplici benefici
“Ogni persona produce abbastanza azoto nell’urina per fertilizzare un giardino, ma gran parte del mondo dipende da costosi fertilizzanti importati”, ha dichiarato Orisa Coombs, autrice principale dello studio e dottoranda in ingegneria meccanica. “Non serve un gigantesco impianto chimico né una presa di corrente. Con abbastanza luce solare, si può produrre fertilizzante proprio dove serve, e persino immagazzinare o vendere l’elettricità in eccesso”.
Guadagno economico
I ricercatori hanno anche sviluppato un modello dettagliato per prevedere come i cambiamenti nella luce solare, nella temperatura e nella configurazione elettrica influenzino il rendimento e l’economia del sistema.
Il modello ha mostrato che in regioni come l’Uganda, dove i fertilizzanti sono costosi e l’infrastruttura energetica è limitata, il sistema potrebbe generare fino a 4,13 dollari per chilogrammo di azoto recuperato, più del doppio dei potenziali profitti negli Stati Uniti.
Sfruttamento del calore residuo
Lo studio mostra che l’integrazione del calore generato dal pannello solare per riscaldare il liquido utilizzato nel processo elettrochimico e la gestione della corrente fornita al sistema elettrochimico hanno aumentato la generazione di energia di quasi il 60% e migliorato l’efficienza di recupero dell’ammoniaca di oltre il 20%, rispetto ai prototipi precedenti, che non integravano queste funzioni.
L’uso di questo calore residuo è particolarmente promettente per via della sua grande quantità, circa l’80% dell’energia solare che raggiunge i pannelli solari si disperde, il che altrimenti potrebbe causare surriscaldamento del sistema e cali di efficienza.
Vantaggi per i servizi igienici
Oltre al potenziale di raccogliere un prodotto prezioso e generare energia, questo approccio promette un servizio igienico efficace. Secondo l’ONU, oltre l’80% delle acque reflue non viene trattato, gran parte nei paesi a basso e medio reddito. L’azoto presente nelle acque reflue può contaminare le falde acquifere e le fonti di acqua potabile, e causare proliferazione di alghe che esauriscono l’ossigeno e uccidono piante e animali acquatici.
Le lezioni apprese sull’integrazione del calore residuo dei pannelli solari potrebbero anche essere applicate a impianti industriali, come gli impianti di trattamento delle acque reflue, in grado di catturare il calore prodotto durante la generazione di elettricità per alimentare varie applicazioni.
Promuovendo il recupero di prodotti chimici di base ad alta purezza da acque reflue sottoutilizzate, questo lavoro sostiene gli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile delle Nazioni Unite di fame zero, acqua pulita e servizi igienici, energia pulita e produzione responsabile.
La possibilità di eliminare l’azoto dall’urina, tramite un sistema autoalimentato, potrebbe essere un punto di svolta in molti paesi dove solo una piccola parte della popolazione è collegata a sistemi fognari centralizzati.
“Spesso pensiamo ad acqua, cibo ed energia come sistemi completamente separati, ma questo è uno di quei rari casi in cui l’innovazione ingegneristica può aiutare a risolvere più problemi contemporaneamente”, ha detto Coombs. “È pulito, scalabile e, letteralmente, si alimenta dal sole”.
Riferimenti della notizia
Orisa Z. Coombs, et al."Prototyping and modelling a photovoltaic–thermal electrochemical stripping system for distributed urine nitrogen recovery". Nature Water. (2025).
"Innovative system turns human waste into sustainable fertilizer". Stanford Report di Rob Jordan. 19 agosto 2025.