Umidificatore a ultrasuoni

Un umidificatore a ultrasuoni aggiunge acqua all'aria senza farla bollire. Un disco di ceramica sotto un sottile strato d'acqua vibra molto al di sopra di ciò che l'orecchio sente, solleva una piccola fontana in superficie e ne strappa una nebbia di goccioline fini, che un ventilatore soffia nella stanza. Robert Wood e Alfred Loomis descrissero nel 1927 nebbie prodotte da ultrasuoni intensi, e nel 1951 Friedrich Tillmann chiese in Germania un brevetto per un umidificatore per ambienti basato su questo effetto. I nebulizzatori ospedalieri lo sfruttarono negli anni Sessanta e negli anni Settanta arrivarono modelli compatti per case e uffici. Poiché la nebbia porta con sé tutto ciò che è nell'acqua, il serbatoio va tenuto pulito.

Che cos’è

Un umidificatore a ultrasuoni è un piccolo apparecchio che carica d’acqua l’aria interna secca sotto forma di nebbia fredda e visibile. Non scalda l’acqua. Un disco di ceramica piezoelettrica, incassato sul fondo di una vaschetta poco profonda, scuote l’acqua con un suono troppo acuto per essere udito, e la superficie si rompe in goccioline abbastanza leggere da galleggiare nell’aria.

Lo si usa d’inverno, quando l’aria riscaldata secca naso, gola, labbra e pelle. Lo stesso principio fa funzionare i nebulizzatori ospedalieri, che trasformano un farmaco liquido in una nebbia da respirare.

Come funziona

Sopra il disco che vibra, l’acqua sale in una piccola fontana e dalla sua punta si stacca una nebbia di goccioline fini.

Un oscillatore elettronico applica al disco di ceramica una tensione alternata alla sua frequenza di risonanza. La ceramica piezoelettrica cambia spessore sotto tensione, quindi il disco si gonfia e si contrae al ritmo della corrente e manda un fascio di suono verso l’alto attraverso l’acqua. Dove il fascio raggiunge la superficie, solleva una piccola fontana e ne strappa goccioline fini. Nel 1962 Robert Lang constatò che le goccioline si staccano dalle creste di sottili increspature della superficie, per cui una frequenza più alta, che accorcia le increspature, dà goccioline più piccole. Un brevetto DeVilbiss per un apparecchio da inalazione aggiunge che troppa potenza lancia solo un getto alto e sottile, che produce poche goccioline della misura giusta.

Un ventilatore spinge aria sopra la vaschetta e porta fuori la nebbia da un ugello. Le goccioline evaporano nella stanza, e la nebbia resta fredda perché niente bolle. Un serbatoio più grande riempie la vaschetta man mano che l’acqua si consuma. Un brevetto di umidificatore della Mikuni Kogyo descrive la disposizione consueta: il vibratore sotto il fondo del recipiente dell’acqua, il generatore ad alta frequenza e il ventilatore a motore nello stesso mobile.

Tutto ciò che l’acqua contiene passa nella nebbia. I minerali dell’acqua del rubinetto si depositano sui mobili come polvere bianca, e batteri o muffe che crescono nell’acqua stagnante possono essere respirati. L’Agenzia statunitense per la protezione dell’ambiente (EPA) mette gli umidificatori a ultrasuoni e a girante tra quelli che disperdono più minerali e microrganismi.

Come si fa

Uno stoppino di fazzoletto porta l’acqua al disco atomizzatore, che la rilascia in un pennacchio di nebbia.

Un modulo atomizzatore già pronto mostra l’effetto senza pericolo, a bassa tensione. Il modulo Grove Water Atomization di Seeed Studio, per esempio, è formato da una piccola scheda di comando e da un disco sottile collegato con due fili. La scheda produce nebbia solo finché il suo piedino di controllo è a livello alto, quindi serve una scheda a microcontrollore, per esempio una compatibile Arduino con uno shield Grove, alimentata dalla porta USB di un computer o da un power bank USB.

Accorciate un bicchiere di carta a circa metà altezza e riempitelo d’acqua distillata. Infilate nell’acqua un fazzoletto di carta piegato in modo che stia ritto come uno stoppino. Appoggiate il disco sul fazzoletto con il lato cavo verso il basso: la parte inferiore deve toccare la carta bagnata e quella superiore restare fuori dall’acqua. Mettete le due schede su una superficie asciutta, lontano dal bicchiere, e collegate la scheda di comando a una porta digitale dello shield con un cavo Grove.

Caricate un breve programma che porti a livello alto il piedino di quella porta per avviare la nebbia e a livello basso per fermarla; il programma di esempio di Seeed avvia uno sbuffo ogni volta che si tocca un sensore tattile. Finché il piedino è alto, dal disco sale un pennacchio di nebbia fine. Fermatevi quando il fazzoletto comincia ad asciugarsi, poi svuotate e asciugate il bicchiere.

Sicurezza. La scheda di pilotaggio porta ai piedini del disco una tensione molto più alta della sua alimentazione, e una bobina della scheda si scalda: non toccate né i piedini né la bobina finché la scheda è alimentata.

Storia ed evoluzione

Nel 1927 il fisico Robert Wood e il banchiere e scienziato dilettante Alfred Loomis descrissero gli effetti di un suono ad alta frequenza molto intenso prodotto nel laboratorio di Loomis a Tuxedo Park, nello Stato di New York. Una lastra di quarzo immersa in un bagno d’olio, eccitata da un potente oscillatore, sollevava sopra di sé un cumulo d’olio, e tra gli effetti che riferirono c’era la formazione di emulsioni e di nebbie. Nel 1951 Friedrich Tillmann chiese in Germania un brevetto per un umidificatore per luoghi di lavoro, abitazioni e sale di riunione: l’acqua, fatta gocciolare su piastre metalliche messe in vibrazione da testine a ultrasuoni, si rompeva in una nebbia fine che un ventilatore, con un riscaldatore se occorreva, portava nella stanza.

I nebulizzatori ospedalieri degli anni Sessanta facevano nebbia con il suono prima che gli umidificatori compatti arrivassero nelle case.

Nel 1962 Robert Lang pubblicò il suo studio sull’atomizzazione dei liquidi con gli ultrasuoni; una storia degli aerosol terapeutici del 2017 vi vede l’introduzione del nebulizzatore piezoelettrico e osserva che i primi cristalli erano poco affidabili.

William D. Gauthier e Robert J. Della Flora, della DeVilbiss Company di Toledo, in Ohio, brevettarono un apparecchio a ultrasuoni per la terapia inalatoria. Il disco di ceramica mandava il suono attraverso uno strato d’acqua di accoppiamento e una sottile finestra di plastica in un bicchiere di liquido, e un ventilatore a motore portava la nebbia al paziente lungo un tubo. Il brevetto cita anche l’uso dell’aerosol per aumentare l’umidità di un gas anestetico.

Negli anni Settanta furono progettati umidificatori a ultrasuoni compatti per gli ambienti di casa. La Siemens ne brevettò in Germania uno con una piastra fatta vibrare da un oscillatore a transistor e un ventilatore a motore, pensato per essere più silenzioso dei modelli a girante, il cui rumore disturbava in soggiorni e camere da letto; l’azienda giapponese Mikuni Kogyo ne brevettò un altro da posare sul pavimento di una casa o di un ufficio. Oggi gli umidificatori sono comuni nelle case. Per quelli a ultrasuoni l’EPA consiglia acqua distillata o povera di minerali, di svuotarli e asciugarli ogni giorno, di pulirli ogni tre giorni e di non superare il 50% di umidità interna.