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.
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| 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.
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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.
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| 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.
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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.
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| 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.
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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 |
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