Los materiales inteligentes facilitan la extracción de agua limpia del aire

gotas de agua en un panel de vidrio LUM3N | Unsplash

Proporcionar a la población mundial agua potable limpia es uno de los grandes desafíos de ingeniería del siglo XXI. En algunos países, más de la mitad de la población carece de acceso a agua limpia y, a nivel mundial, una de cada tres personas no tiene acceso a saneamiento básico para el cual el agua es crucial.

Esta es una causa importante de diarrea y mala salud en general. Según algunas estimaciones, más de 5.000 niños mueren cada día como resultado de enfermedades relacionadas con la diarrea. Por lo tanto, encontrar formas de producir agua limpia es un objetivo importante.

El problema es que la mayoría de las técnicas son prohibitivamente costosas para los países pobres. Los enfoques tradicionales como la destilación, la ósmosis inversa y el reciclaje de aguas residuales consumen energía y son costosos. Y las técnicas pasivas que dependen de la energía solar requieren materiales exóticos y concentradores solares, que son voluminosos y costosos.

Pero hay otra técnica que tiene el potencial de cambiar este cálculo deprimente: la recolección de rocío. Se trata de enfriar el aire para que el vapor de agua que contiene se condense y pueda ser recogido. Esta tecnología pasiva tiene un gran potencial para la recolección de agua dulce debido al hecho de que una cantidad significativa de vapor de agua se almacena en la atmósfera, dicen Minghao Dong y sus colegas de la Universidad del Sureste en Nanjing, China.

Eso plantea algunas preguntas obvias. ¿Cuánta agua se puede recolectar de esta manera? ¿Y cuál es la mejor manera de recogerlo?

Hoy, Minghao y sus colegas calculan por primera vez los límites fundamentales de la tecnología de recolección de rocío. Luego describen cómo un simple cambio a las técnicas convencionales podría mejorar significativamente la utilidad y el rendimiento.

Primero algunos antecedentes. Los recolectores de rocío pasivos consisten en un condensador, una lámina delgada y plana de material que irradia calor hacia el cielo nocturno (los recolectores de rocío generalmente solo funcionan de noche). El condensador está aislado del suelo para que no pueda absorber el calor de abajo.

A medida que el condensador irradia energía por la noche, su temperatura desciende y enfría el aire inmediatamente adyacente. Si la temperatura del aire cae por debajo del punto de rocío (la temperatura a la que el aire se satura con vapor de agua), el vapor se condensará.

Por supuesto, la eficiencia de este proceso es sensible a una amplia gama de factores, particularmente la temperatura ambiente del aire, su humedad relativa y la velocidad a la que el condensador puede irradiar calor.

A lo largo de los años, los físicos han calculado cuánta agua puede producir un dispositivo de este tipo cuando el condensador es un cuerpo negro que irradia perfectamente. Pero Minghao y sus colegas dicen que todos estos análisis pasan por alto un punto obvio: no explican adecuadamente la forma en que los materiales reales emiten calor o la forma en que la atmósfera de la Tierra transmite algunas longitudes de onda de luz de manera más eficiente que otras.

Como resultado, los límites fundamentales de esta técnica no se han aclarado adecuadamente, lo que dificulta evaluar el rendimiento de los experimentos y determinar si esta tecnología es aplicable o no en diversas condiciones, en particular en áreas relativamente áridas, dicen.

Así que han incluido estos factores por primera vez. Esto les ha permitido evaluar el rendimiento de los diferentes materiales.

Su método es sencillo. Minghao y sus colegas señalan que las longitudes de onda en las que la atmósfera terrestre es más transparente son bien conocidas. Dicen que tiene sentido usar un condensador que emita en estas frecuencias en lugar de uno que emita en todas las longitudes de onda. Llaman a tal condensador un emisor selectivo y lo comparan con el rendimiento de un emisor negro.

Los resultados son llamativos. Los investigadores dicen que hacer coincidir la emisividad del condensador con las características de transmisión de la atmósfera hace posibles mejoras significativas. Por ejemplo, a una temperatura ambiente de 20 °C (68 °F) con una humedad relativa del 40 %, un emisor negro no puede recolectar agua de ninguna manera. En contraste, el emisor selectivo podría [cosechar rocío a razón de] 13 gramos por metro cuadrado por hora, dicen.

Ese es un hallazgo significativo. Es la diferencia entre poder recolectar rocío por la noche en un lugar como el desierto de Mojave y no tener nada de agua.

Los investigadores han diseñado un condensador con las características de emisión de energía requeridas. Su diseño consiste en finas capas de tres materiales diferentes sobre una base de aluminio. Esta estructura en capas emite mejor en las longitudes de onda en las que la atmósfera es más transparente.

Es un trabajo interesante con potencial para una amplia aplicación. Minghao y sus colegas dicen que la recolección de rocío podría ser beneficiosa tanto en áreas húmedas como secas: las primeras incluyen islas y ciudades costeras que están rodeadas de agua de mar que no es potable, mientras que las últimas incluyen desiertos que carecen de cualquier forma de agua potable.

Y el bajo costo de este tipo de diseño pasivo también es importante. Esta tecnología pasiva de recolección de agua dulce complementaría las tecnologías existentes, especialmente en áreas rurales y de bajos ingresos donde el costo es una gran preocupación, dicen.

Si puede llevar agua potable limpia incluso a una pequeña fracción de quienes actualmente no la tienen, será una ganancia significativa para la humanidad.

Al menos una startup, Agua de masa cero , ya está tratando de comercializar un dispositivo similar que puede extraer agua del aire mientras otros científicos continúan impulsando sus capacidades, incluida una colaboración entre investigadores de la Universidad de California, Berkeley y el MIT (consulte Cómo extraer agua de la nada). , incluso en las partes más secas del mundo).

Ref: arxiv.org/abs/1909.05757 : Límites fundamentales de la tecnología de recolección de rocío

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