Agua donde la necesites

Cody Friesen, PhD '04, inventó paneles que recogen agua del aire, incluso en la zona árida de Arizona. Y eso fue después de que descubrió cómo hacer baterías recargables de alta energía que sean baratas y ecológicas. Arte Holeman

En 2018, Cody Friesen, PhD '04, caminó por los arbustos en el Valle del Rift de Kenia para comprender los peligros que enfrentaban las niñas de la Fundación Samburu Girls cuando salían a buscar agua.

Todos los días, las niñas que vivían en la organización de rescate tenían que caminar dos millas, a menudo pasando junto a hombres que las consideraban una propiedad, hasta el agua más cercana en una tierra donde la década pasada estuvo marcada por sequías devastadoras.

Allí, en las orillas fangosas de un río plagado de cólera, Friesen vio huellas de hienas y hombres, recordatorios de lo que podría esperar a cualquier chica que se demorara.

La escena también sirvió como un recordatorio de que aproximadamente 2200 millones de personas en todo el mundo carecen de agua potable, incluidas estas niñas keniatas vulnerables que se encuentran a 200 millas al norte de Nairobi.

Friesen eliminó ese viaje diario al río al instalar una serie de 40 dispositivos que se asemejan a paneles solares en los terrenos de la fundación. Diseñó el dispositivo, al que llama Source Hydropanel, para extraer agua del aire, alimentado solo por energía solar. Resolvió la crisis de seguridad del agua en el refugio de niñas de Kenia, y Friesen dice que su dispositivo puede hacer lo mismo para las personas de todo el mundo que no tienen acceso a agua potable limpia.

Los residentes de Bahía Hondita en la península de La Guajira en Colombia ahora obtienen agua de una serie de hidropaneles Source en lugar de depender del agua salobre de un pozo local.

AGUA DE MASA CERO

Friesen se interesó por primera vez en el agua cuando crecía en lo que entonces eran suburbios relativamente rurales al sureste de Phoenix. Cuando era niño caminando en el desierto, siempre caminábamos hacia un cuerpo de agua como un arroyo o un manantial, dice. Desde muy temprana edad, apreciar la importancia y el significado del agua fue solo una parte de mi vida. También siempre había sentido curiosidad por saber cómo funcionaban las cosas, el tipo de niño que desmontaba el nuevo coche de juguete la mañana de Navidad y lo tenía vuelto a montar a la hora del almuerzo. Entonces, cuando era un adolescente que se topaba por casualidad con bosques de álamos y manantiales naturales en caminatas, no solo reflexionaba sobre el valor del agua, sino también sobre la infraestructura que la llevó desde el río Colorado hasta el área metropolitana de Phoenix. Pensó que había una mejor alternativa a la solución existente: represar uno de los ríos más poderosos de América del Norte y bombear su agua cientos de millas.

Cuando comenzó en la Universidad Estatal de Arizona como estudiante universitario, gravitó hacia la ciencia de los materiales, a la que llama una trifecta de física, química e ingeniería mecánica. Su investigación doctoral en el MIT se centró en las propiedades de las películas metálicas delgadas y la mecánica cuántica de la catálisis relacionada con las pilas de combustible. Después de obtener su doctorado en 2004, regresó a ASU y se unió a la facultad de ciencias de los materiales en las Escuelas de Ingeniería Ira A. Fulton.

En su nuevo laboratorio en ASU, centró su atención en construir una batería mejor. En tres años, Friesen había creado una batería recargable de zinc-aire y fundó una startup llamada Fluidic Energy para comercializarla. Siguió eso con su hidropanel de agua del aire y en 2014 lanzó su segunda empresa, Zero Mass Water, para refinarlo, fabricarlo y distribuirlo.

Friesen describe orígenes similares y caminos de descubrimiento para cada uno. En ambos casos, comenzó tratando de comprender y luego reformular los problemas generales. Luego buscó formas de abordarlos utilizando materiales que se adaptaran mejor a los desafíos químicos y físicos particulares en cuestión. Es un enfoque que, según él, fue inculcado en el MIT, donde las personas se enfocan en desafíos difíciles y están constantemente pensando en cómo crear nuevas soluciones, dice.

La batería de zinc-aire tuvo su génesis cuando Friesen miró la tabla periódica y preguntó cuál sería la batería más barata posible. Eso lo llevó a pensar en el oxígeno del aire como el cátodo y el zinc como el ánodo. Las baterías de zinc-aire existen desde hace unos 100 años, pero nadie sabía cómo recargarlas. Descargan la energía almacenada en el zinc al exponerlo al oxígeno del aire, creando óxido de zinc y liberando electrones. Pero recargar la batería hace que se acumulen cristales puntiagudos, o dendritas, de zinc en la superficie del ánodo, lo que hace imposible recargarla más de unas pocas veces. Para sortear el problema de las dendritas, Friesen creó un andamio de níquel en capas con una serie de agujeros de varios tamaños; las capas se caracterizan por diferentes propiedades eléctricas. El andamio se enchapa con zinc, que luego funciona como un ánodo poroso, y una mezcla de hidróxido de potasio y aditivos de base líquida iónica sirve como electrolito. Cuando el electrolito pasa a través del ánodo durante la carga y descarga, esta mezcla trabaja con los poros y la estructura en capas para evitar que se formen y acumulen dendritas. Como resultado, las baterías se pueden recargar repetidamente y están diseñadas para durar más de 10 años.

El dispositivo cumplía todos los requisitos. Fue construido con materias primas baratas, no tóxicas y abundantemente disponibles. Y podría almacenar más energía que una batería de iones de litio a un costo mucho menor, potencialmente por tan solo $ 10 por kilovatio-hora a escala.

Las baterías de Friesen podrían mantener la energía durante 12 horas o más durante apagones prolongados. En áreas sin acceso a la red, podrían cargarse con paneles solares y usarse para proporcionar energía. La invención llevó a MIT Technology Review a incluirlo en la lista TR35 de 2009 que reconoce a los innovadores destacados menores de 35 años.

En 2018, el cirujano y empresario médico Patrick Soon-Shiong compró Fluidic Energy y se convirtió en NantEnergy. La compañía dice que ha suministrado energía a 200.000 personas en zonas rurales de África y cita un proyecto de demostración en Madagascar, donde las tres cuartas partes de la población no tienen electricidad. Aunque despidió a la mitad de su fuerza laboral el otoño pasado, NantEnergy informó que instaló 3000 sistemas en nueve países el año pasado y dice que, en total, proporcionó energía de respaldo durante más de un millón de horas de apagones prolongados.

Mientras la batería de zinc-aire se trasladaba del laboratorio al mercado, Friesen ya estaba trabajando en su próximo gran desafío. Desde 2010, quería desarrollar un dispositivo que pudiera producir agua limpia donde se necesitara y usar solo recursos disponibles gratuitamente y energía renovable para hacerlo.

Se dio cuenta de que hay mucha humedad en el aire. El desafío era cómo extraerlo y entregarlo de manera eficiente. Para 2014, Friesen estaba afinando un prototipo funcional en su laboratorio de ASU en Tempe.

Hoy en día, el panel hidroeléctrico Source parece un panel solar grueso que mide ocho pies por cuatro pies por cinco pulgadas encima de una base con un depósito; en total, mide unos tres pies de alto y pesa alrededor de 300 libras. El dispositivo utiliza ventiladores que funcionan con energía solar para aspirar aire hacia el interior, donde el vapor de agua se adsorbe en un material higroscópico patentado, un desecante que Friesen diseñó a nanoescala para maximizar su capacidad de atraer agua sin comprometer su capacidad de liberar el agua que se acumula en su superficie. El calor captado por los paneles solares térmicos del dispositivo aumenta la presión de vapor del agua, provocando que el material higroscópico la libere. Esto eleva la humedad específica del vapor de agua dentro del dispositivo, elevando el punto de rocío por encima de la temperatura ambiente, por lo que no es necesario enfriar el vapor para que se condense, incluso en entornos áridos. Friesen llama a este proceso condensación pasiva. A partir de ahí, el agua se acumula en un tanque de 30 litros en la base del dispositivo. El agua nueva se introduce y se libera repetidamente de los materiales higroscópicos muchas veces al día.

El material higroscópico atrae efectivamente solo moléculas de agua, por lo que los procesos combinados de adsorción y condensación pasiva brindan constantemente agua de alta pureza. En teoría, incluso el agua recolectada del aire contaminado es pura, dice Friesen, quien agrega que todas las mediciones de la compañía hasta la fecha lo confirman. El agua del tanque se trata periódicamente con ozono para evitar el crecimiento de microbios y, antes de llegar a un dispensador, pasa por cartuchos de calcio y magnesio para mejorar su sabor.

Los sensores alimentados por energía solar ayudan a optimizar el rendimiento del hidropanel al medir la temperatura del aire ambiente, la intensidad solar y la humedad relativa, e introducen esos datos en un algoritmo que controla dinámicamente la velocidad a la que los ventiladores introducen aire en el dispositivo. Los transmisores inalámbricos con energía solar también envían datos en vivo a una base de datos en la nube, lo que hace posible que Zero Mass Water controle todos los paneles instalados. El centro de operaciones de la red de la empresa generalmente puede resolver problemas funcionales con comandos y programación por aire; si se detecta un problema de mantenimiento, el centro puede contactar a socios locales para solucionarlo.

Friesen dice que el resultado final de la investigación no debería ser una publicación. La academia se trata de la creación de nuevos conocimientos y la traducción de esos conocimientos en aplicaciones prácticas.

Cada hidropanel puede generar hasta cinco litros de agua potable al día, dependiendo de la nubosidad y la humedad. En lugares con poca luz solar o poca humedad, los paneles son menos eficientes. Pero Friesen dice que las dos unidades en el techo de su casa en Arizona proporcionan suficiente agua potable para su familia de cuatro más dos Weimaraners, en un lugar con un promedio de 110 días de temperaturas de tres dígitos y más de siete meses de humedad de un solo dígito. Sin embargo, no se puede producir agua en condiciones de congelación, lo que limita la utilidad de los hidropaneles en climas invernales.

Zero Mass Water comenzó en 2014 en un antiguo concesionario Volvo. A fines del año pasado, los trabajadores colgaban carteles sobre la entrada de una nueva sede, un edificio industrial escondido a unas pocas millas al sur de Tempe. La empresa ha recaudado 65 millones de dólares en capital de riesgo y ha instalado paneles en 37 países, tanto en selvas como en desiertos. Los paneles de fuentes han proporcionado agua en oficinas gubernamentales, hoteles, hospitales, escuelas y restaurantes, así como en campamentos de refugiados sirios, en Puerto Rico tras el paso del huracán María y para la fundación de niñas en Kenia.

Pero los dispositivos son caros; cada hidropanel cuesta $2500, y la instalación de una matriz de dos puede costar hasta $6500. Para avanzar hacia su visión de proporcionar agua para todas las personas en todos los lugares, Friesen deberá reducir los costos. (Hasta la fecha, muchas instalaciones han sido financiadas con subvenciones de gobiernos, fundaciones y ONG). Mientras tanto, recientemente anunció que la compañía está lanzando una unidad de tamaño medio con una huella que es más fácil de integrar con paneles solares residenciales. Le tomó décadas a la energía solar fotovoltaica llegar a donde está ahora con eficiencia económica y de rendimiento, dice. En solo cinco años, hemos logrado reflejar ese crecimiento y estamos en camino de hacer que el agua de la fuente sea accesible en un tiempo significativamente reducido.

Zero Mass Water ocupa la mayor parte del tiempo de Friesen en estos días, pero sigue siendo profesor asociado a tiempo parcial y científico principal de sustentabilidad en el instituto de sustentabilidad de ASU.

Friesen, que sirvió dos mandatos en el Consejo de Manufactura de EE. UU. durante la administración Obama, ha recibido 63 patentes hasta la fecha y ganó el Premio Lemelson-MIT 2019 a la invención el otoño pasado. El premio de $500,000, que honra a los inventores cuyo trabajo promete mejorar el mundo, reflejó su trabajo tanto en la batería de zinc-aire como en el hidropanel. Todavía me pellizco, dice Friesen, que está utilizando la mayor parte del dinero del premio para instalar sus hidropaneles en Bahía Hondita, un pueblo colombiano que enfrenta una grave escasez de agua potable. Eligió el sitio de instalación llamando a un amigo de Conservación Internacional y preguntando qué lugar necesitaba más ayuda.

Gary Dirks, director sénior de Global Futures Lab de ASU, no está sorprendido por la forma en que su colega está gastando el dinero del premio, dado que Friesen también ha establecido becas para apoyar a jóvenes emprendedores en la universidad. Los dos se conocieron cuando Friesen estaba haciendo una prueba beta del hidropanel y Dirks acordó dirigir el dinero de la subvención al proyecto. Es en gran medida un emprendedor en serie astuto y un inventor en serie. Eso es lo que le gusta hacer, y le gusta asumir cosas realmente importantes, dice Dirks, quien describe a Friesen como un hombre con una misión.

El resultado final [de la investigación] no debería ser una publicación, dice Friesen. La academia se trata de la creación de nuevos conocimientos. y sobre la traducción de ese conocimiento: su viaje desde el laboratorio hacia aplicaciones prácticas que pueden mejorar la vida de las personas.

Ese no es el vendedor pulido y bien ensayado que habla, dice Dirks: está motivado por los grandes problemas del mundo.

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