Sacar más calor de la luz solar

Un material recientemente desarrollado que es tan transparente que apenas se puede ver, podría desbloquear muchos usos nuevos para el calor solar. Este genera temperaturas mucho más altas que las de los colectores solares convencionales, suficientes para la calefacción doméstica o para procesos industriales que requieren un calor de más de 200 °C (392 °F).

El nuevo material aislante de aerogel es altamente transparente y transmite el 95 por ciento de la luz. En esta foto, se utilizan rayos láser paralelos para hacer visible el material. Fotografías cortesía de los investigadores.

La clave del proceso es un nuevo tipo de aerogel, un material liviano que consiste principalmente en aire, con una estructura hecha de sílice (que también se usa para hacer vidrio). El material permite que la luz del sol pase fácilmente a través de el, pero bloquea el calor solar para que no se escape. Los hallazgos se describen en la revista ACS Nano, en un artículo de Lin Zhao, un estudiante graduado del MIT; Evelyn Wang, profesora y jefa del Departamento de Ingeniería Mecánica; Gang Chen, el profesor Carl Richard Soderberg en Ingeniería de Energía; y cinco mas.

La clave para la recolección eficiente del calor solar, explica Wang, es poder mantener algo caliente internamente mientras se mantiene frío en el exterior. Una forma de hacerlo es utilizando un vacío entre una capa de vidrio y un material oscuro que absorbe la energía solar. Esta configuración se utiliza en muchos colectores solares de concentración, pero su instalación y mantenimiento son relativamente caros. Ha habido un gran interés en encontrar un sistema pasivo menos costoso para recolectar calor solar a los niveles de temperatura más altos necesarios para la calefacción de espacios, el procesamiento de alimentos o muchos procesos industriales.

Los aerogeles, un tipo de material similar a la espuma hecho de partículas de sílice, se han desarrollado durante años como materiales de aislamiento térmico altamente eficientes y livianos, pero en general han tenido una transparencia limitada a la luz visible, con un nivel de transmisión de alrededor del 70 por ciento. Wang dice que hacer aerogeles que sean lo suficientemente transparentes para trabajar para la recolección de calor solar fue un proceso largo y difícil que involucró a varios investigadores durante aproximadamente cuatro años. Pero el resultado es un aerogel que deja pasar más del 95 por ciento de la luz solar entrante y mantiene las propiedades altamente aislantes del material.

La clave está en las proporciones precisas de los diferentes productos químicos utilizados para crear el aerogel, el cual se realiza mezclando un catalizador con un compuesto que contiene silicio en una solución líquida, formando una especie de gel húmedo y luego secándolo para remover todo el liquido, dejando una matriz que es principalmente aire pero que retiene la estructura de la mezcla original. Al producir una mezcla que reacciona químicamente mucho más rápidamente que las de los aerogeles convencionales que ellos encontraron, dieron como resultado un gel con espacios de poros más pequeños entre sus granos, y que por lo tanto dispersaron la luz mucho menos.

En las pruebas realizadas en una azotea en el campus del MIT, un dispositivo pasivo que consiste en un material oscuro absorbente del sol cubierto con una capa del nuevo aerogel pudo alcanzar y mantener una temperatura de 220 °C, en medio del invierno de Cambridge, cuando el aire exterior estaba por debajo de 0 °C.

Un dispositivo de prueba instalado en un techo en MIT demostró la efectividad del nuevo material aislante. Cuando se colocó a la luz del sol, el dispositivo se calentó a 220 °C, aun cuando la temperatura exterior en ese momento era de alrededor de 0 °C. Fotografías cortesía de los investigadores

Tales altas temperaturas solo habían sido prácticas anteriormente mediante el uso de sistemas de concentración, con espejos para enfocar la luz solar en una línea o punto central, pero este sistema no requiere concentración, lo que lo hace más simple y menos costoso. Esto podría potencialmente ser útil para una amplia variedad de aplicaciones que requieren niveles más altos de calor.

Por ejemplo, los colectores planos simples en la azotea a menudo se usan para agua caliente casera, produciendo temperaturas de alrededor de 80 °C. Pero las temperaturas más altas permitidas por el sistema de aerogel también podrían hacer que estos sistemas simples sean utilizables para la calefacción casera. Las versiones a gran escala podrían usarse para proporcionar calor para una amplia variedad de aplicaciones en procesos de fabricación de productos químicos, alimentos y manufacturas.

Zhao describe la función básica de la capa de aerogel como "como un efecto invernadero. "El material que utilizamos para aumentar la temperatura actúa como lo hace la atmósfera de la Tierra para proporcionar aislamiento, pero este es un ejemplo extremo de ello".

Para la mayoría de los propósitos, el sistema de recolección de calor pasivo estaría conectado a tuberías que contienen un líquido que podría circular para transferir el calor a donde sea necesario. Alternativamente, Wang sugiere, para algunos usos, el sistema podría conectarse a tuberías térmicas, dispositivos que pueden transferir calor a una distancia sin necesidad de bombas o partes móviles.

Debido a que el principio es esencialmente el mismo, un colector de calor solar basado en aerogel podría reemplazar directamente los colectores basados ​​en vacío utilizados en algunas aplicaciones existentes, proporcionando una opción de menor costo. Los materiales utilizados para hacer el aerogel son abundantes y baratos; la única parte costosa del proceso es el secado, que requiere un dispositivo especializado llamado secador de punto crítico para permitir un proceso de secado muy preciso que extrae los solventes del gel y preserva su estructura nanoescalar.

Debido a que es un proceso por lotes en lugar de uno continuo que podría usarse en la fabricación rollo a rollo, esto podría limitar la tasa de producción si el sistema se amplia a niveles de producción industrial. "La clave para la ampliación es cómo podemos reducir el costo de ese proceso", dice Wang. Pero incluso ahora, un análisis económico preliminar muestra que el sistema puede ser económicamente viable para algunos usos, especialmente en comparación con los sistemas basados en vacío.

El equipo de investigación incluyó a los científicos de investigación Bikram Bhatia y Sungwoo Yang, los estudiantes graduados Elise Strobach y Lee Weinstein, y el posdoctorado Thomas Cooper. El trabajo fue financiado principalmente por el programa ARPA-E del Departamento de Energía de los Estados Unidos.

Información bibliográfica completa.
"Aprovechar el calor más allá de los 200 grados C de la luz solar no concentrada con aerogeles transparentes no evacuados".
ACS Nano2019
URL: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b02976

Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT)
07 Julio 2019

La impresión 3D es noticia de ayer. La impresión líquida al estilo de Westworld es el futuro.

Un nuevo método de impresión desarrollado por MIT Self-Assembly Lab y Steelcase tiene el potencial de cambiar nuestra forma de pensar acerca del diseño.

La impresión en 3D no ha despegado como un proceso de fabricación convencional. En esta etapa de su desarrollo, sus limitaciones superan su potencial. En comparación con el moldeo por inyección o por colada, ella esta limitada a la producción a pequeña escala a una velocidad relativamente lenta. Un nuevo proceso llamado Rapid Liquid Printing ofrece una alternativa. Es rápido, está diseñado para abordar la producción a gran escala y no se basa en materiales prototipo, sino que utiliza caucho, espuma y plástico. Más allá de sus capacidades técnicas, es simplemente hipnótico de observar.

Creada por el Self-Assembly Lab de MIT en colaboración con Steelcase, Rapid Liquid Printing dibuja físicamente en el espacio 3D en una suspensión de gel líquido y permite la creación precisa de productos personalizados. Mientras que la impresión 3D requiere la creación de capa por capa, la impresión líquida rápida funciona a través de la inyección directa en el gel, creando físicamente los objetos. Al ver que los materiales se solidifican, es fácil olvidarse de la ciencia que se encuentra detrás de ellos - por un momento, es como si hubieran aparecido por pura fuerza de voluntad. Es una cosa impresionante de presenciar, particularmente dada la compleja curvatura de los diseños. Lo que es más, en su iteración actual, no hay límites para agrandar - con un tanque lo suficientemente grande, el proceso puede crear objetos de cualquier tamaño.

Skylar Tibbits, co-director del Self-Assembly Lab de MIT con Jared Laucks, dijo a WIRED: "El gel es similar a un gel para el cabello o desinfectante de manos y tiene dos funciones claves. La primera es que puede suspender objetos de manera que no luchamos contra la gravedad y no requerimos impresión capa por capa ni materiales de soporte, que requieren mucho tiempo para imprimir. Esto significa que una parte puede imprimirse rápidamente dentro del gel y luego retirarse y simplemente lavarse con agua. el segundo es que el gel se autocura después de que pasa por la boquilla. Esto le permite moverse e imprimir continuamente dentro del gel y no crear túneles o cavidades que se llenen con material impreso ".

Se tarda aproximadamente una hora en mezclar el gel y, una vez producido, funciona de inmediato para suspender los materiales impresos. Si el material impreso es extremadamente denso, es posible que el gel deba modificarse ligeramente en términos de composición, pero Tibbits dice que, en general, la densidad no es un problema. "Hemos podido suspender plásticos, espumas, cauchos e incluso metales sin ningún problema".

La producción de objetos de alta calidad de plástico y metal tiene el potencial de cambiar los campos de diseño. En lugar de producir muebles en masa, estos podrían ser personalizados y producidos según los requisitos específicos - lo que permite a las personas definirse a sí mismas dentro de un "mar de igualdad", como lo expresa Rob Poel, Director de Innovación de Nuevos Negocios de Steelcase. El proceso también podría abrir nuevas vías para la producción en las industrias automotriz y aeroespacial, donde es esencial una fabricación rápida a gran escala.

Tibbits dice: "El límite de tamaño en realidad solo está limitado por el tamaño de la máquina y la cantidad de gel. Pero también se puede usar para estructuras impresas más pequeñas con características de alta resolución, pero es probable que su impresión sea más lenta".

La capacidad creativa de Rapid Liquid Printing se ha exhibido recientemente en la Feria del Mueble de Milán con el diseñador de productos Christophe Guberan, en la que el equipo imprimió una mesa experimental para Bassline, una nueva colección de tablas creada por Turnstone. La mesa Bassline es el objeto más grande que el equipo ha creado hasta ahora y se imprimió en un tanque de un metro de largo.

La impresión líquida rápida aún está en la fase de investigación, pero cuando se le pregunta qué depara el futuro para la tecnología, Tibbits dice que tiene planes para un mayor desarrollo.

"Estamos entusiasmados por experimentar con nuevos materiales [buscando crear] estructuras impresas más grandes y procesos más rápidos y eficientes".

ALEXANDRA SIMON-LEWIS
Wired
04 Mayo 2017

Sacar la humedad del aire puede calmar la sed del mundo?

Las tecnologías de agua a partir del aire usan la ciencia para exprimir el agua de la atmósfera

En Resumen

500 millones de personas no tienen suficiente agua para satisfacer sus necesidades diarias. Y más de la mitad de la población mundial lucha con la escasez de agua durante al menos un mes de cada año. Con muchas fuentes de agua llegando hasta su límite, los científicos e ingenieros están trabajando en tecnologías que pueden absorber agua de un recurso en gran parte sin explotar: la humedad en el aire. Siga leyendo para aprender sobre las tecnologías que están usando y los desafíos que enfrentan.

Vivimos en un mundo sediento. De acuerdo con la Organización Mundial de la Salud, cada persona en la Tierra necesita alrededor de 50 litros de agua por día para satisfacer las necesidades básicas, incluida el agua para beber, preparación de alimentos, saneamiento e higiene personal. A pesar de los ricos recursos hídricos del planeta, los científicos estiman que 4 mil millones de personas, más de la mitad de la población mundial, no tienen suficiente agua durante al menos un mes cada año, y 500 millones de ellos no tienen suficiente durante todo el año. Considerando el cambio climático y una población global que se espera alcance los 10 mil millones para 2050, queda claro que el mundo solo se volverá más sediento.

Para saciar esa sed, científicos e ingenieros han estado buscando soluciones al creciente problema de la escasez de agua. Una fuente de agua que han estado tratando de aprovechar es la humedad en el aire. Por un lado, está en todas partes, incluso en el desierto, por lo que tiene el potencial de ayudar a las personas que carecen de agua, sin importar dónde se encuentren.

La atmósfera contiene hasta 1.29 x 1016 litros de agua, en forma de nubes, niebla y vapor de agua. En términos globales, ese número es pequeño, solo el 0,001% del agua total del mundo. Pero en términos relativos, es un diluvio: seis veces más agua que en los ríos del mundo, una fuente importante de agua potable.

Los científicos y un número creciente de compañías que fabrican dispositivos de agua desde el aire están trabajando en la recolección del agua de la atmósfera de una manera práctica, eficiente y económica. Pero extraer la humedad del aire no es trivial, y los científicos están de acuerdo en que no habrá una sola tecnología que sea la mejor para cada localidad. En áreas nubladas, la respuesta puede ser instalar sistemas que puedan convencer a las gotas de agua suspendidas en el aire para que se unan. En climas húmedos, donde el aire está lleno de vapor de agua, pero el vapor no se ha nucleado en gotitas, los dispositivos que puedan condensarla y recolectarla podrían ser los mejores. Y en las regiones áridas, será necesario desarrollar máquinas especializadas que puedan captar la poca humedad que hay alrededor.

El agua del aire puede ser la única solución para proporcionar suficiente agua potable para todos. Roland V. Wahlgren, director de Atmoswater Research

Arreglo nublado
El aire contiene dos tipos de agua completamente diferentes, "y tenemos diferentes trucos para cosecharlos", dice Jonathan Boreyko, quien dirige el laboratorio de fluidos e interfaces inspirado en la naturaleza en Virginia Tech.

Con el vapor de agua, es necesario forzar el agua gaseosa en el aire para formar gotas de rocío líquidas en una superficie de recolección. "Es un proceso bastante multifacético, especialmente si desea acumular condensación en una región de baja humedad", dice Boreyko. Con la niebla, agrega, el proceso se parece mucho más a la gratificación instantánea.

"La niebla es un sistema de gotas microscópicas que ya están en la fase líquida, y simplemente se atrapa utilizando algún tipo de red o superficie de recolección", continúa Boreyko. Las áreas costeras, por ejemplo, tienen vientos cargados de millones y millones de pequeñas gotas de agua. "Simplemente se atrapan", explica, y, finalmente, las gotas de agua crecen en lo que sea que las haya atrapado para que caigan por gravedad en un recolector de agua.

Los sistemas existentes de recolección de niebla se parecen a las redes de voleibol, dice Boreyko, excepto que están hechos con una malla fina que es similar a la de una pantalla de ventana. "En realidad, hay un gran problema con este diseño", señala. “Si los alambres de la malla son demasiado pequeños y están muy juntos, el agua que atrapa puede obstruir todos los agujeros. El agua se atasca por la tensión superficial y tiene dificultades para drenar a un colector. Si atascas los agujeros, ahora el viento gira alrededor de la malla, no a través de ella, y dejas de recoger agua ". Pero si los agujeros son demasiado grandes, ellos no atraparán el agua.

Los científicos han estado tratando de resolver este problema con la química, agregando recubrimientos a los materiales de la malla, pero Boreyko dice que los recubrimientos no son duraderos. Tienden a desgastarse de la malla cuando se exponen a los elementos. El laboratorio de Boreyko, en colaboración con el profesor de diseño industrial de Virginia Tech, Brook S. Kennedy, ha adoptado una estrategia diferente al rediseñar los dispositivos de recolección de niebla, que no requieren recubrimientos. Al igual que muchos en el campo de la recolección de niebla, Boreyko y Kennedy encontraron inspiración en las plantas, que no pueden moverse para recolectar el agua que necesitan y, por lo tanto, han desarrollado formas inteligentes para hidratarse.

Específicamente, los investigadores notaron cómo los árboles gigantes de secuoya recolectan agua de la niebla en sus agujas. Estas agujas son paralelas entre sí, por lo que el agua se acumula sobre las agujas, rueda hacia abajo y luego gotea en el suelo para nutrir las raíces del árbol. Boreyko y Kennedy razonaron que podían lograr el mismo efecto creando un aparato de recolección de niebla hecho de alambres verticales paralelos, un arpa de niebla (ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, DOI: 10.1021 / acsami.7b17488).

"Si solo tiene los cables verticales, no hay cables horizontales en el camino de las gotitas", explica Boreyko, y no se pueden obstruir. Las arpas pequeñas a escala de laboratorio pueden cosechar tres veces más agua que las mallas de tamaño similar. Al buscar agrandar el avance, los investigadores han hecho un arpa a escala de metro de aluminio y están estudiando métodos para hacer granjas de arpa de niebla.

Credit: Courtesy of Jas Pal Badyal. Baldosas de inspiración biológica diseñadas por el grupo de Jas Pal Badyal canalizan el agua en una sola corriente.

La durabilidad es un desafío importante en el desarrollo de superficies prácticas de recolección de niebla, dice Jas Pal Badyal, quien estudia la morfología superficial y química superficial en la Universidad de Durham. El otro gran desafío, dice, es el costo. "Esa ha sido nuestra principal motivación", explica Badyal. "Para encontrar formas en que el agua pueda recolectarse en una escala razonablemente grande pero a bajo costo".

Las plantas también han inspirado al grupo de Badyal. "En los países en desarrollo, hemos estado observando cómo las plantas locales recolectan humedad o agua, y hemos estado tratando de replicar esos sistemas mediante la combinación de la arquitectura superficial y la química superficial". Por ejemplo, los diminutos pelos de la planta Salsola crassa, un pequeño arbusto que crece en climas áridos, recolecta niebla y la convierte en gotas de agua que gotean a lo largo de las hojas de la planta y sobre el suelo para proporcionar hidratación. Los científicos del equipo de Badyal descubrieron que podían imitar este comportamiento aplicando un revestimiento hidrofílico a telas no tejidas de bajo costo, que tienen una estructura fibrosa y se usan para hacer máscaras contra el polvo (Colloids Surf. A 2017, DOI: 10.1016 / j.colsurfa.2017.05.071) ).

Para recolectar la niebla de los tejados, Badyal y sus compañeros de trabajo planean combinar este material con un enfoque bioinspirado diferente que desarrollaron para recolectar agua durante una fuerte lluvia. Ellos crearon baldosas que se asemejan a las ramitas de la conífera Thuja plicata, que crece en el noroeste del Pacífico. Al obtener el tamaño de los poros, el ángulo de la baldosa y las capas de la estructura de forma correcta, pueden dirigir gran cantidad de agua en una sola corriente para su recolección (Sci. Rep. 2015, DOI: 10.1038 / srep16798). Han hecho prototipos plásticos, pero Badyal dice que también podrían crear baldosas similares perforando agujeros en materiales no tejidos que luego podrían recolectar y canalizar el agua de la niebla.

Los avances en química y materiales pueden mejorar todos los sistemas de recolección de agua, dice Tak-Sing Wong, profesor de ingeniería en la Universidad Estatal de Pennsylvania. El laboratorio de Wong, en colaboración con el grupo de Xianming (Simon) Dai en la Universidad de Texas, Dallas, también ha desarrollado una superficie bioinspirada para recolectar y dirigir gotas de agua.

La inspiración de Wong y Dai: las hojas de las plantas de arroz poseen surcos paralelos, que dirigen el agua a sus raíces, y las plantas carnívoras de jarrón tienen un lubricante resbaladizo en su superficie para mover el agua y las presas de insectos hacia una trampa. Los científicos combinaron estos dos aspectos haciendo una superficie grabada con microsurcos paralelos a los que aplicaron una capa delgada de lubricante hidrófilo poli (dimetilsiloxano) hidroxi terminado (Sci. Adv. 2018, DOI: 10.1126 / sciadv.aaq0919). La textura a nanoescala dentro de los surcos mantiene el lubricante en su lugar. La superficie recolecta rápidamente gotas de agua en niebla simulada y luego las canaliza para su recolección, superando a las superficies lisas con recubrimientos resbaladizos similares.

Crédito: Cortesía de Simon Dai. Esta superficie, desarrollada por Tak-Sing Wong y Simon Dai, acumula niebla con surcos de 50 μm de ancho y un revestimiento hidrófilo.

Aun cuando los investigadores han construido la superficie sobre la escala de un metro cuadrado, dicen que el mayor desafío para comercializarla es la durabilidad del lubricante. Dura aproximadamente dos semanas, lo que no es lo suficientemente largo para aplicaciones prácticas. "Estamos tratando de seleccionar un mejor lubricante que dure más tiempo o encontrar una manera de reponer el lubricante", dice Dai.

Soluciones interesantes
La recolección de agua mediante la recolección de niebla es atractiva, dicen los investigadores, porque no requiere una fuente de energía. Pero también tiene sus límites. Las cantidades de agua recolectadas pueden ser pequeñas, y la tecnología funciona mejor en regiones de alta humedad, donde la niebla es abundante. Pero la escasez de agua es una amenaza mayor en las zonas áridas del mundo

"En EUA, la disponibilidad de agua no es un problema demasiado grande, y el agua tiene un costo muy bajo", dice Wong. "Pero en muchas otras regiones del mundo, el agua no es tan accesible, especialmente para aquellas que están lejos del océano" y, por lo tanto, no tienen fácil acceso al agua desalinizada. Las tecnologías de agua del aire, dice, no dependen de la recolección y limpieza del agua en una ubicación centralizada y luego la distribuyen, por lo que tienen el potencial de suministrar agua potable en casi cualquier lugar de la Tierra.

Aunque no hay un líder claro en el mercado, varias compañías actualmente venden máquinas de agua del aire. Drinkable Air, por ejemplo, ha estado en el negocio durante ocho años. Los productos de la empresa van desde pequeñas unidades diseñadas para uso en el hogar hasta una instalación del tamaño de un remolque que podría proporcionar suficiente agua para un hotel grande, aproximadamente 150,000 litros/día. Como la mayoría de los dispositivos comerciales de agua desde el aire, recolecta vapor de agua en el aire usando un sistema de enfriamiento.

"Es un deshumidificador sobre esteroides", explica Michael Bourgon, director de desarrollo de negocios internacionales de Drinkable Air. La máquina extrae aire a través de un filtro electrostático, que elimina el polvo y otras partículas. Luego, el aire pasa sobre la superficie fría de un condensador, que está cubierto con un lubricante que es seguro para consumir. El vapor se acumula en la superficie del condensador como agua líquida, que cae en un tanque de recolección. El sistema patentado de purificación de ozono de Drinkable Air limpia el agua aún más. Antes de que esté listo para beber, el agua viaja a través de un filtro de carbón y un cartucho de mineral, que agrega calcio, magnesio y sulfatos para hacer que el agua sea más alcalina y mejorar su sabor.

Actualmente, dice Bourgon, el costo de la tecnología es de aproximadamente $ 0.06/litro de agua. Eso es aproximadamente seis veces el costo de un litro de agua desalinizada, pero es mucho menos que el agua embotellada, que varía de $0.21/litro en Turquía a $ 1.25/litro en Dinamarca.

Roland V. Wahlgren, director de Atmoswater Research y presidente de Canadian Dew Technologies, que desarrolla sistemas de agua desde el aire, dice que al parecer algunas ciudades que se enfrentan a la escasez de agua dependen de la importación de agua embotellada para compensar las fallas en el suministro de agua. "Pero eso probablemente no sea sostenible o asequible a largo plazo", dice.

En última instancia, esto se reduce al costo, dice Wahlgren. "Incluso si tuviera una fuente de agua líquida sucia y contaminada, sería más económico limpiar eso con métodos convencionales de tratamiento de agua que usar una máquina de agua desde el aire para proporcionar el mismo volumen de agua por día" cuando se toman en cuenta los costos de equipos y energía, explica.

"Las máquinas de agua desde el aire entran en juego si hay una escasez real de suministros de agua líquida", dice Wahlgren, como los lugares que están lejos del océano donde se ha agotado toda el agua subterránea. Señala que muchas ciudades, como la ciudad de México; Beijing y Bangalore, India, se enfrentan a la escasez de agua en las próximas décadas. "El agua del aire puede ser la única solución para proporcionar suficiente agua potable para todos", dice.

Aun así, Wahlgren piensa que el movimiento hacia la recolección de agua podría ser demasiado lento para estas ciudades. "Quizás algunas compañías de agua desde el aire fracasarán porque no podrán permanecer en el negocio el tiempo suficiente hasta que la demanda haga que esas empresas sean viables", dice.

Secando el aire con desecantes
Jonas Wamstad, CEO de la compañía de recolección de agua Drupps, espera que su compañía, que se separó de la compañía de control de humedad Airwatergreen en 2017, se destaque de la competencia, gracias a un tipo diferente de tecnología de recolección de agua. En el Medio Oriente, señala, las tecnologías de recolección de agua basadas en el enfriamiento tienden a no funcionar bien porque la humedad relativa es baja durante el día, por lo que hay menos agua para recolectar. La humedad es mayor después del anochecer, pero las bajas temperaturas nocturnas hacen que los sistemas de enfriamiento sean ineficientes porque tiene que enfriar los condensadores a temperaturas más bajas.

Wamstad explica que la tecnología de Drupps no usa enfriamiento, sino que se basa en un desecante líquido para extraer la humedad del aire. Asentado en un módulo del dispositivo que es aproximadamente del tamaño de un contenedor de transporte, esta suspensión patentada absorbe la humedad del aire. El desecante cargado de agua luego se mueve a un segundo módulo, donde el agua se evapora, se enfría y se recoge. Ya sin el agua, el desecante líquido regresa al primer módulo para repetir el proceso.

"Dependiendo del clima y la cantidad de módulos, podemos tener un sistema que produzca hasta 700,000 litros de agua al día", dice Wamstad. Dice que la tecnología funciona en la mayoría de los lugares de la Tierra, excepto en el desierto más seco, y cuesta alrededor de 2 centavos por litro de agua. La tecnología de Drupps, al igual que los condensadores, sigue siendo un sistema que consume mucha energía. Pero se puede alimentar con energía térmica (quemando basura, por ejemplo) en lugar de electricidad, lo que significa que se puede usar en lugares que no tienen acceso a la red eléctrica. "Nuestro principal objetivo es hacer que el agua atmosférica sea lo suficientemente barata para que todos la utilicen", dice Wamstad.

Crédito: Evelyn Wang / MIT. El laboratorio de Evelyn Wang desarrolló este prototipo de dispositivo agua del aire, que puede recolectar agua incluso en el desierto.

Evelyn Wang, profesora de ingeniería del Instituto de Tecnología de Massachusetts, también desarrolló recientemente un sistema de recolección de agua que utiliza un desecante para extraer el agua del aire. El desecante, desarrollado por el grupo de Omar Yaghi en la Universidad de California en Berkeley, consiste en cristales del tamaño de polvo de un marco de metal orgánico conocido como MOF-801. Los cristales están incrustados en una capa porosa donde la parte superior está recubierta de negro y sirve como absorbente solar. Estos cristales están dentro de una cámara que está abierta al aire. A medida que el aire fluye a través de la cámara, el agua se adhiere al MOF. Luego, la luz del sol calienta el MOF, conduciendo el agua hacia un condensador, donde se enfría y gotea en un colector (Science 2017, DOI: 10.1126 / science.aam8743).

El dispositivo está diseñado para que la humedad relativa en la cámara sea casi del 100% "para que se pueda condensar el agua cerca de las condiciones ambientales", explica Wang. Eso significa que el dispositivo no requiere ningún enfriamiento activo para que el agua se condense, lo que lo hace significativamente más eficiente en términos de energía.

El dispositivo puede recolectar agua incluso cuando la humedad relativa del aire es tan baja como el 20%, un nivel que es más bajo de lo que encontraría en el desierto del Sahara. A principios de este año, el laboratorio de Wang probó el dispositivo en Tempe, Arizona, donde la humedad relativa oscila entre el 10 y el 40%. El prototipo fue capaz de recolectar 0.25 litros de agua cada día por cada kilogramo de MOF-801 que contenía (Nat. Commun. 2018, DOI: 10.1038 / s41467-018-03162-7).

El mayor desafío para ampliar este prototipo es la disponibilidad del MOF-801. "Es difícil hacer el material a una escala lo suficientemente grande, lo que también lo hace caro", dice Wang.

Con el objetivo de reducir el costo de los sistemas de agua desde el aire, el Water Abundance XPrize ofrece una bolsa de $ 1.75 millones a cualquier persona que pueda crear un dispositivo de recolección de agua en la atmósfera que pueda entregar 2,000 L de agua/día a un costo de $ 0.02/litro usando solo energía renovable.

Zenia Tata, la directora de impacto de XPrize, reconoce que ya hay dispositivos de agua desde el aire en el mercado. Pero, dice ella, "usan grandes cantidades de energía y generalmente son grandes y costosos de operar".

La inscripción para el concurso se abrió en octubre de 2016 y, en mayo de 2017, habían entrado 98 equipos de 25 países. En marzo, XPrize anunció cinco finalistas, cuyas tecnologías se están evaluando en una ronda final de pruebas. El ganador del gran premio será anunciado en unas pocas semanas, dice Tata.

Entonces, ¿las tecnologías de agua desde el aire ayudarán a calmar la sed del mundo? Es probable que formen parte de un enfoque multifacético para abordar la escasez de agua, dicen los expertos, pero ninguno será una solución independiente. También se necesitarán otras tecnologías, así como sistemas mejorados de conservación y distribución de agua. Aun así, los dispositivos que sacan el agua del aire son prometedores y con una innovación continua podrían hacer que las partes más sedientas del mundo estén un poco menos resecas.

Bethany Halford
Chemical Engineering News
Volumen 96, Revista 41
14 Octubre 2018 |

Madera Translúcida - Un material del Futuro

Hacer la madera translúcida, a prueba de podredumbre, más resistente al fuego y al deterioro natural, y mejorando sus propiedades estructurales: este es el reto de un arquitecto francés que se entrenó en el extranjero.

Los primeros trabajos de Timothée Boitouzet, en colaboración con el Departamento de Biología Molecular y Química Orgánica de Harvard y Medialab del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), consistían en una matriz monomérica inyectada en un tablón de madera de 7 a 10 mm de espesor. Los materiales plásticos inyectados llenan las microcavidades, ya que la madera está compuesta de 60 a 70% de aire.

Esta polimerización no sólo hace que la madera sea translúcida, sino que también la hace tres veces más rígida a medida que se vuelve más densa. Después de esta doble transformación, tanto física como óptica, el material base se hace más fuerte, más estéticamente agradable y más resistente mecánicamente.

"El primer paso del desarrollo podría implicar la fabricación de muebles con esta madera biónica", dijo el arquitecto. El siguiente paso podría implicar la producción de revestimientos, carpintería o revestimientos de suelos.

A largo plazo, su potencial también podría ser explotado en las industrias de la construcción, mobiliario y diseño, así como en las industrias maritima, automotriz y aeroespacial.

"Con suerte, este nuevo material podría ver la luz del día en dos o tres años". Recientemente, el arquitecto solicitó una patente sobre su producto y creó la nueva empresa Woodoo con el fin de explotar comercialmente este nuevo material.

25 Abril 2016
Plastics the Mag

Se firmó el Acuerdo de Financiamiento de doctorados entre la Comisión Nacional de Investigación Científica y Tecnológica (Conicyt) de Chile y el Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Presidente Piñera suscribe alianza con Massachusetts para fortalecer educación, energía y biotecnología

El mandatario destacó las condiciones que Chile tiene para el desarrollo de las energías renovables.

El Presidente Sebastián Piñera suscribió este jueves con el gobernador de Massachusetts, Deval Patrick, el Memorándum de Entendimiento que establece la Alianza Chile-Massachusetts, en materia de educación, energía y biotecnología.

Al respecto, el mandatario manifestó que este es un acuerdo que tiene una enorme significación y en el cual tenemos puestas grandes esperanzas, al tiempo que recordó que en la década de los´60 Chile firmó un acuerdo de entendimiento con el Estado de California, que fue extraordinariamente fecundo y hasta el día de hoy, sigue dando sus frutos.

En ese sentido, explicó que hoy día estamos firmando un acuerdo del siglo XXI, con el gobernador de Massachusetts, en tres frentes que son extraordinariamente importantes: la educación, las energías limpias y renovables, y la biotecnología, subrayando que se da una complementariedad absoluta, porque el Estado de Massachusetts ha demostrado que tiene un liderazgo en estos tres frentes de categoría mundial, y en nuestro país tenemos un compromiso con desarrollar estos tres frentes que nacen del alma y del corazón.

El jefe de Estado precisó que en materia de educación, estamos comprometidos con hacer la gran reforma a la educación en nuestro país, porque estamos convencidos que esa es la madre de todas las batallas, la del futuro, porque la batalla del desarrollo la vamos a ganar, ganando la batalla de la educación.

Agregó que en el terreno de las energías limpias y renovables, Chile tiene un potencial insospechado en materia solar, con los desiertos con la mayor radiación del mundo; en materia de energía geotérmica, un país que tiene el 25% de los volcanes activos; en materia de energía del viento, tenemos condiciones extraordinariamente favorables; y energía de las mareas, en un país que tiene más de 6.000 kilómetros de costa.

También, el Presidente Piñera resaltó que en biotecnología sabemos que ahí está una gran oportunidad para el futuro. Y, por tanto, este es un acuerdo que firmamos con mucha alegría, mucho compromiso y mucha esperanza.

Durante la ceremonia, y como parte de esta nueva Alianza Chile-Massachusetts, se firmó el Acuerdo de Financiamiento de doctorados entre la Comisión Nacional de Investigación Científica y Tecnológica (Conicyt) y el Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Fuente: Noticias 123 - Chile
01 Diciembre 2011

Nota: Este es un buen ejemplo a seguir. El Perú debe buscar acuerdos de colaboración con los países desarrollados en materia de Investigación y Desarrollo ademas de educación. Si queremos desarrollar completamente el país para darle una mejor vida a sus habitantes, necesitamos tener profesionales bien educados para dirigir y administrar el estado, aparte de un sistema integral de investigación que ayude a explotar en el buen sentido nuestras ventajas comparativas.

Energia Fotovoltaica No Solar: Materiales Diseñados para Emitir Longitudes de Onda de Luz Muy Afinadas Cuando se Calientan

ScienceDaily (31 Julio 2011) - Un nuevo sistema de emisión de energía fotovoltaica desarrollado en el MIT puede ser alimentado exclusivamente por calor, generando electricidad sin nada de luz solar. Si bien el principio en cuestión no es nuevo, una nueva forma de diseñar la superficie de un material para convertir el calor en las longitudes de onda de luz precisamente afinadas - seleccionadas para coincidir con las mejores longitudes de onda que las células fotovoltaicas pueden transformar en electricidad - hace al nuevo sistema mucho más eficiente que las versiones anteriores. 

Una variedad de micro-reactores  de chips de silicio desarrollados por el equipo del MIT. 
Cada una de estas contiene cristales fotónicos en ambas caras planas, 
con tubos externos para la inyección de combustible y el aire y
la eyección de productos de desecho. En el interior del chip,
el combustible y el aire reaccionan para calentar los cristales fotónicos. 
En la práctica, estos reactores tendrían una celda fotovoltaica 
montada contra cada cara, con un pequeño espacio entre ellas, 
para convertir las longitudes de onda de la luz emitidas en electricidad. 
(Crédito:Foto de Justin Knight)

La clave de esta emisión muy afinada de luz, que se describe en la revista Physical Review A, se encuentra en un material con miles de millones de pozos a nanoescala grabados en su superficie.Cuando el material absorbe el calor - sea del sol, un hidrocarburo, un radioisótopo en descomposición o cualquier otra fuente - la superficie picada irradia energía sobre todo en estas longitudes de onda cuidadosamente seleccionadas.

Sobre la base de esa tecnología, los investigadores del MIT han hecho un generador de energía del tamaño de un botón alimentado por gas butano, el cual puede durar tres veces más que una batería de litio-ion del mismo peso, el dispositivo se puede recargar al instante, simplemente rompiendo un cartucho pequeño de combustible fresco. Otro dispositivo, impulsado por un radioisótopo que constantemente produce calor de la desintegración radiactiva, podría generar electricidad durante 30 años sin reabastecerse de combustible o sin mantenimiento - una fuente ideal de energía eléctrica para naves espaciales dirigidas a las misiones de larga distancia del sol.

De acuerdo con la Administración de Información de Energía de EUA, el 92 por ciento de toda la energía que utilizamos consiste en la conversión de calor en energía mecánica y luego, a menudo, en electricidad - como el uso de combustible para producir vapor de agua que mueve una turbina, la cual está conectada a un generador. Sin embargo, los sistemas mecánicos de hoy en día tienen una eficiencia relativamente baja, y no puede ser reducidos a los pequeños tamaños necesarios para los dispositivos tales como sensores, teléfonos inteligentes o los monitores médicos.

"Ser capaz de convertir el calor de varias fuentes en electricidad sin piezas móviles traería enormes beneficios", dice Ivan Celanovic ScD '06, ingeniero de investigación en el Instituto MIT de Nanotecnologías Soldado (ISN), "sobre todo si podemos hacerlo de manera eficiente, económica relativamente  y en pequeña escala. "

Desde hace tiempo se sabe que las celdas  fotovoltaicas (PV) no siempre se ejecutan en la luz del sol. Hace medio siglo, los investigadores desarrollaron Las Celdas Termofotovoltaicas (TPV), un par de celdas fotovoltaicas con cualquier fuente de calor: una quema de hidrocarburos, por ejemplo, se calienta un material llamado el emisor térmico, que irradia luz y calor en el diodo de PV, generando electricidad. La radiación del emisor térmico incluye longitudes de onda mucho más infrarrojas que las que se producen en el espectro solar, y materiales PV de "baja amplitud de banda"  inventados hace menos de una década pueden absorber más de esa radiación infrarroja que lo que pueden los PVs  de silicio estándar. Pero gran parte del calor se pierde todavía, por lo que las eficiencias siguen siendo relativamente bajas.

Una combinación ideal
La solución, Celanovic dice, es diseñar un emisor térmico que irradie sólo las longitudes de onda que el diodo PV puede absorber y convertirlas en electricidad,suprimiendo al mismo tiempo las otras longitudes de onda. "Pero, ¿cómo encontrar un material que tenga la propiedad mágica de emitir sólo en las longitudes de onda que queremos?" pregunta Marin Soljacic, profesor de física e investigador de ISN. La respuesta: Hacer un cristal fotónico, tomando una muestra de material y crear algunas de las características a nanoescala en su superficie - por ejemplo, un patrón regular de repetición de los agujeros o surcos - se propaga así la luz a través de la muestra de una manera radicalmente diferente.

"Al elegir la forma como diseñamos la nanoestructura, podemos crear materiales que tienen nuevas propiedades ópticas", dice Soljacic. "Esto nos da la capacidad de controlar y manipular el comportamiento de la luz."

El equipo - que también incluye a Peter Bermel, científico investigador en el Laboratorio de Investigación Electrónica (RLE), Peter Fisher, profesor de física y Michael Ghebrebrhan , un investigador postdoctoral en RLE - uso un bloque de tungsteno, diseñando miles de millones de pozos pequeños en su superficie. Cuando la losa se calienta, genera una luz brillante con un espectro de emisión alterado debido a que cada pozo actúa como un resonador, capaz de emitir una radiación en solo ciertas longitudes de onda.

Este enfoque de gran alcance - co-desarrollado por John D. Joannopoulos, , profesor de Física de Francis Davis Wright y director del ISN, y otros - ha sido ampliamente utilizado para mejorar láseres, diodos emisores de luz e incluso las fibras ópticas. El equipo del MIT, apoyado en parte por una donación de semillas de la Iniciativa Energética del MIT, está trabajando con colaboradores en el MIT y en otros lugares para usarlos en crear varios nuevos dispositivos de generación de electricidad.

Mike Waits, un ingeniero electrónico en el Laboratorio de Investigación del Ejército en Adelphi, Maryland, quien no estuvo involucrado en este trabajo, dice que este enfoque para producir suministros de energía en miniatura podría conducir a dispositivos electrónicos portátiles más ligeros, que es "fundamental para aligerar la carga del soldado. No sólo reduce su carga, sino que también reduce la cadena logística "para entregar estos dispositivos en el campo. "Hay un montón de vidas en juego", dice, "por lo que si puede hacer que las fuentes de energía más eficientes, podría ser de un gran beneficio."

El dispositivo tipo botón que usa hidrocarburos como el butano o el propano como fuente de calor - conocido como un generador de energía micro-TPV - tiene en su centro un "micro-reactor", diseñado por Klavs Jensen, Catedrático de Ingeniería Química de Warren K. Lewis , y fabricado en los laboratorios de Tecnología de Microsistemas. Mientras que el dispositivo alcanza una eficiencia de conversión de combustible a electricidad tres veces mayor que la de una batería de litio-ion del mismo tamaño y peso, Celanovic confía en que con más trabajo que su equipo puede triplicar la densidad de energía actual. "En ese momento, nuestro generador de TPV podría encender su teléfono inteligente durante una semana entera sin ser recargado", dice.

Celanovic Soljacic enfatiza que la construcción de sistemas prácticos requiere la integración de muchas tecnologías y áreas de especialización. "Es un esfuerzo realmente multidisciplinario", dice Celanovic. "Y es un excelente ejemplo de cómo la investigación fundamental en los materiales puede dar lugar a nuevas prestaciones que permite un amplio espectro de aplicaciones para una eficiente conversion de energia."

Nuevo método para obtener agua potable

En el desierto seco en la costa oeste de Namibia, donde la precipitación media anual es de escasos 40 mm, el escarabajo de Namibia (Stenocara Gracilipes) ha desarrollado un mecanismo único para beber. Recoge la humedad de la niebla matinal que se produce cuando la brisa del mar desde el Atlántico chocan con el aire caliente del desierto. 


Con la inspiración de truco de captación de niebla del escarabajo, Shreerang Chhatre, un estudiante graduado en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, y sus colegas han desarrollado una manera sencilla y económica para producir agua potable.


La niebla de Namibia se disipa rápidamente una vez que sale el sol, por lo que el escarabajo tiene sólo una breve oportunidad para recoger el agua. El insecto generalmente encuentra un risco de arena y se enfrenta a la brisa, curva su cuerpo hacia arriba con las alas extendidas especialmente adaptadas. Las alas tienen protuberancias hechas de una sustancia hidrofílica que atrae gotas diminutas de agua. 


A medida que se acumulan, las gotitas se hacen más grandes hasta que su peso hace que se escurra en las depresiones en las alas del escarabajo. Estos bolsones están cubiertos de una sustancia cerosa repelente al agua que tiene el efecto de hacer rodar las gotas por el cuerpo inclinado del escarabajo hacia su boca. El insecto entonces rápidamente las bebe.


La recolección de niebla no es una idea nueva. FogQuest, una organización de caridad canadiense, ha venido instalando dispositivos que utilizan una malla de plástico para atrapar las gotas de agua en los países en desarrollo durante más de una década. Sr. Chhatre dice que lo que él y sus colegas han hecho es aumentar la eficiencia de captación de agua mediante el uso de una variedad de revestimientos superficiales.


Las gotas de agua en caso de niebla son muy pequeñas, por lo general entre 1 y 50 micrones (la millonésima parte de un metro). Las superficies hidrofilicas reunen y mantienen las gotas con la atracción electrostática, que les impide ser recogidas y transportadas por el viento. A medida que más gotas son atraidas, ellas se esparcen y, finalmente, se unen y salen fuera de la superficie como lo hacen en un panel de vidrio. 


Los recubrimientos hidrofobicos, como el Teflón, son entonces necesarios para repeler el agua y la corriente lo más rápidamente posible a un depósito para que no se pierde por evaporación.


El Sr. Chhatre, un químico, estudió la llamada humectabilidad de varios recubrimientos y encontro las fórmulas matemáticas que podrían determinar la combinación ideal de recubrimientos para los distintos tamaños de las partículas de niebla que se encuentran en cualquier región en particular. La textura superficial de los recubrimientoss también resultó ser importante.


Los lugares ideales para cosechar niebla son las regiones montañosas y deserticas donde la niebla está presente, pero las fuentes de agua están muy lejos. El Sr. Chhatre esta creando un proyecto piloto en el sur de África que usara algunas de las nuevas técnicas, y el está tratando de organizar otra en la India.


Utilizando una malla de aluminio recubierto, se estima conservadoramente que es posible recolectar cerca de un litro de agua de una malla de un metro cuadrado. En condiciones ideales, dice, que podría aumentarse en un factor de diez, sacando un montón de agua del aire, por así decirlo.


The Economist
3 Mayo 2011

Dermis artificial se acerca a la sensibilidad de contacto de la piel humana

E-piel: imita la reacción nerviosa

 de la dermis humana

Hay un número creciente de proyectos de investigación que buscan desarrollar piel artificial a base de plásticos que pueden transmitir el sentido del tacto mediante la integración de sensoreselectrónicos incorporados en el sistema nervioso humano.
Uno de los proyectos que buscan en la piel artificial - o "e-piel "-está siendo llevada a cabo por investigadores de la Universidad de California en Berkeley. Su piel está hecha de semiconductores monocristalinos inorgánicos que pueden operar en baja potencia. Su producto es químicamente más estable que los anteriores prototipos de piel artificial.

Mientras tanto, los investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) están trabajando con la compañía británica Peratech para desarrollar un producto para la piel con compuestos de efecto túnel cuántico (QTCs). Éstos se hacen mediante la implantación de clavos pequeños de metal en silicona, que se convierte en una partícula que se ve como una maza medieval.
La silicona ya se ha utilizado antes en este campo de investigación, pero el problema con las composiciones tradicionales es que se pueden agrupar, lo que resulta incompatible en las propiedades, una cuestión que el MIT afirma que ha superado.
Cuando el material de silicona QTC se comprime,el espacio entre las puntas se reduce, lo que permite que pase una carga eléctrica entre ellos, imitando el paso de los impulsos nerviosos.
"Tiene una increíble variedad de sensibilidades", dijo Nigel Robson, portavoz de Peratech. "Si se puede cubrir la prótesis de brazo con esta piel sintética se puede saber exactamente dónde y cuan sensible es ser tocado."
Otros proyectos para el desarrollo de e-la piel se están llevando a cabo por Nokia y en el Centro de Investigación de la Universidad de Cambridge, quienes estan a la vez explorando el uso de los altamente flexibles cauchos sintéticos transparentes.

Mark Rowe - PRW
01.02.2011