Attraverso il nord degli Stati Uniti e il Canada, i proprietari di case stanno controllando i loro spazzaneve, immagazzinando legna da ardere e svuotando le tubature esterne in preparazione al freddo. Per i comuni, tuttavia, la rete idrica resistente all'inverno non è così semplice: i tubi viaggiano per lunghi tratti sottoterra e, in questo periodo dell'anno, i differenziali di terreno e temperatura congelati causano sottili crepe che si trasformano in perdite complete, spesso con risultati catastrofici.
Di tanto in tanto vedi articoli di notizie su doline e interruzioni d'acqua, ma il problema è in realtà molto più diffuso, insidioso e di impatto del bizzarro abisso di una strada cittadina.
L'American Society of Civil Engineers stima nella sua Infrastructure Report Card del 2017 che 240.000 interruzioni idriche si verificano ogni anno negli Stati Uniti, con 2 trilioni di litri di acqua potabile trattata in fuga. Ciò significa che il 14-18% di acqua trattata ogni giorno viene persa, abbastanza per servire 15 milioni di case. E sta peggiorando; uno studio del 2018 della Utah State University ha rilevato che le rotture di tubi negli Stati Uniti e in Canada sono aumentate del 27% negli ultimi sei anni. Inoltre, le bollette dell'acqua pagate dai clienti non sono sufficienti per finanziare l'infrastruttura idrica e l'American Water Works Association stima un prezzo di $ 1 trilione di dollari per risolverlo. In molte nazioni in via di sviluppo, il problema è peggiore; la stima prudente della Banca Mondiale suggerisce che il 35% dell'acqua immessa nei sistemi di distribuzione potrebbe andare persa nei 44 paesi che hanno esaminato. In tutto il mondo si perdono circa $ 14 miliardi all'anno.
Controintuitivamente, le piccole perdite (meno di 10 galloni al minuto) non sono nemmeno chiamate perdite e non contano per il numero di 240.000 dell'ASCE. Queste fessure più piccole e difficili da trovare sono chiamate "potenziali perdite" - per essere chiamate una perdita, la fessura deve rilasciare abbastanza acqua da fuoriuscire visibilmente da terra. Ma le potenziali perdite diventano perdite e le perdite diventano rotture e milioni di galloni (e dollari) filtrano o si riversano nel terreno.
Che città è da fare?
Le migliori pratiche secondo l'American Water Works Association iniziano con un audit delle risorse idriche, calcolando la quantità di acqua che viaggerebbe attraverso un sistema idealmente efficiente e confrontandola con la quantità effettivamente utilizzata dai consumatori, nota come "acqua di entrate".
"L'efficienza idrica è un segmento abbastanza ben sviluppato del settore, in cui stai cercando di monitorare le prestazioni del tuo sistema in termini di entrate e acqua non-entrate", afferma Dennis Mutti, presidente di C3 Water, che lavora con i comuni del sud-ovest dell'Ontario per pianificare e ottimizzare i sistemi idrici, comprese le acque potabili e di scarico.
Il risultato di tale audit dà alle città un'idea di quanta acqua si sta perdendo. Per mitigarlo, spesso assumono appaltatori per cercare perdite. Convenzionalmente, il rilevamento delle perdite comporta l'attesa di tali prove visibili o il controllo sistematico di interi sistemi, l'apertura di idranti o lo scavo di tubi per posizionare i sensori uditivi su di essi nella speranza di sentire una perdita.
A centinaia di miglia di distanza, due diversi inventori si stanno concentrando su perdite sempre più piccole in due modi molto diversi. Uno sta ascoltando, attentamente e con l'aiuto dell'intelligenza artificiale, cambiamenti sottili nel suono dell'acqua corrente; l'altro sta usando un robot morbido per cercare con attenzione il delicato rimorchiatore creato dal differenziale di pressione di una minuscola perdita. Ognuno ha collaborato con diversi comuni e ciascuno intende salvare una parte di quei milioni di galloni dalla fuga nel terreno.
Quando You Wu cresceva a Shanghai, una volta alla settimana il giovedì, il suo quartiere chiudeva l'acqua ai suoi cittadini, come un modo per conservare e prevenire la carenza di acqua. "Hanno chiuso l'acqua per la mia comunità, che colpisce forse un quarto di milione di persone per mezzo milione di persone", afferma Wu, che si è trasferito negli Stati Uniti nel 2008 e ha frequentato il MIT. “Mi sentivo come un grande cittadino, stavamo aiutando la città a conservare l'acqua. Quando sono arrivato al MIT, ho capito, aspetta un secondo, stiamo conservando l'acqua, ma allo stesso tempo, dal 20 al 30 percento dell'acqua pulita è andata persa a causa di perdite nello stesso sistema. "
Ha iniziato a scherzare con i sensori, chiedendosi se c'è un modo migliore per trovare le perdite prima che diventino abbastanza cattive da sentire - o come fanno alcune città, aspettando che le tubature si aprano completamente. Oltre sei anni ha lavorato al progetto, fondando una società, la Watchtower Robotics, dopo la laurea. Quell'azienda ha appena iniziato i programmi pilota per distribuire il terzo prototipo di Wu, un robot morbido a forma di uccellino da badminton chiamato Lighthouse che scivola attraverso i tubi con il flusso dell'acqua. Mentre viaggia, i sensori di flessione monitorano una serie di pinne alla base del robot per individuare i piccoli rimorchiatori che si verificano mentre passa i differenziali di pressione formati da perdite. Alla fine fuoriesce da un idrante antincendio a valle e gli operatori utilizzano i dati per calcolare dove potrebbe trovarsi la perdita. Per questo processo, Wu ha ottenuto 10 brevetti e la sua azienda li ha autorizzati dal MIT. Il dispositivo è in grado di rilevare una perdita di appena 1 gallone al minuto
Mentre Lighthouse viaggia, i sensori di flessione monitorano una serie di pinne alla base del robot per i piccoli rimorchiatori che si verificano mentre passa i differenziali di pressione formati da perdite. (Per gentile concessione dei ricercatori) Nel nord ghiacciato - Waterloo, Ontario - un gruppo di ricercatori sta modificando il metodo più tradizionale, ascoltando le perdite con l'aiuto dell'intelligenza artificiale. Come la Torre di Guardia Robotica, l'obiettivo è identificare perdite sempre più piccole. Questi sono troppo piccoli per essere rilevati attraverso i cambiamenti di pressione e difficili da distinguere dal rumore di fondo, di cui c'è molto quando si pompa un mucchio di acqua attraverso i tubi. In realtà, non è del tutto esatto dire che stanno ascoltando affatto. Il loro dispositivo, descritto in un recente articolo sull'Urban Water Journal, viene immerso nell'acqua sotto un idrante antincendio e utilizza sensori idrofonici per monitorare le vibrazioni nell'acqua per qualsiasi cosa fuori dal comune. Tramite un processo chiamato analisi dello spettro del segnale, l'IA decostruisce matematicamente il segnale in componenti e li confronta con vibrazioni senza perdite.
"Se guardi il segnale grezzo o intero, non puoi distinguere molto facilmente tra [suoni che perdono e non che perdono]", afferma Roya Cody, studente di dottorato dell'Università di Waterloo che ha scritto l'articolo sull'Urban Water Journal . "Ma se guardi i sottocomponenti, la perdita e i casi ambientali sembrano molto diversi."
Per addestrare questa IA, ovvero per fornirgli una base per scenari con perdite e senza perdite con cui confrontare, i ricercatori hanno costruito una rete di tubi in PVC di diametro 6 pollici nel loro laboratorio, completa di giunzioni a T, un idrante antincendio e perdite simulate situate a varie distanze dall'idrofono. Lo collegarono direttamente al sistema idrico municipale di Waterloo, che funziona a 50 sterline per pollice quadrato.
Il risultato è un sistema che può essere implementato in modo permanente, per funzionare in background e offrire avvisi quando una pipe è compromessa; gli idrofoni negli idranti rimangono lì e funzionano costantemente, piuttosto che dover essere posizionati e azionati per cercare perdite.
Paragonando il suo robot all'intelligenza artificiale di Waterloo, Wu indica importanti diversi casi d'uso per le tecnologie. In un sistema urbano, la densità dei tubi e la complessa rete si presta ai dispositivi di ascolto, in particolare con l'aiuto dell'intelligenza informatica, che può aiutare ad analizzare i dati invece di affidarsi solo a tecnici qualificati. Ma spostati nella periferia o nelle aree rurali e i lunghi tratti di tubature - a volte solo poche case oltre chilometri di tubature - richiederebbero troppi idrofoni per essere pratici. Il suo robot brilla qui; lascialo cadere in un idrante e raccoglilo di nuovo, miglia lungo la linea.
Il James Dyson Award ha nominato Lighthouse il vincitore nazionale degli Stati Uniti nel 2018. (Dyson Awards) Gli inventori stanno ora partecipando a prove e partnership per comporre i loro prodotti e prepararli per il mercato. La società di Mutti è un partner industriale dell'Università di Waterloo e ha aiutato quel laboratorio a ottenere una sovvenzione strategica dal Consiglio di ricerca in ingegneria e scienze naturali del Canada per sviluppare ulteriormente la tecnologia e testarla a Guelph, in Ontario. Nel frattempo, la Watchtower Robotics ha recentemente completato il suo primo progetto pilota a Corydon, Indiana, e ne sta pianificando altri due a Boston e San Antonio. Il successo di entrambe le società significherà meno rotture catastrofiche e meno persone a scavare tubi.
"Alla fine della giornata, ognuna di queste interruzioni che si verificano richiede alle persone reali, spesso in condizioni molto spiacevoli, di uscire, scavare, fare una riparazione, di solito in un ordine molto breve", afferma Mutti. "Il maggior numero di cose che possiamo fare per renderlo più semplice e offrire loro strumenti migliori per farlo è un grande vantaggio non solo per le persone che pagano una bolletta dell'acqua, ma per la società in generale".
