La mejor cosechadora de agua en el desierto, hasta ahora

Un grupo de investigadores de la Universidad de California en Berkeley ha diseñado una máquina del tamaño de un microondas que permite extraer agua ultra pura directamente del aire, incluso en el desierto seco y caliente. Además se alimenta de energía solar y una batería.

En un artículo que apareció esta semana en ACS Central Science, una revista de la American Chemical Society, Omar Yaghi de la UC Berkeley y sus colegas describen la última versión de su cosechadora de agua, que puede extraer más de cinco tazas de agua (1,3 litros) con aire de baja humedad por día por cada kilogramo (2,2 libras) de material absorbente de agua, una sustancia muy porosa llamada estructura organometálica o MOF (en inglés, metal-organic framework). Eso es más que el mínimo requerido para mantenerse con vida.

En las pruebas de campo durante tres días en el árido desierto californiano de Mojave, el dispositivo produjo de manera confiable 0,7 litros por kilogramo de MOF por día, casi tres tazas de H2O puro y limpio. Eso es 10 veces más que su versión anterior.

La cosechadora funcionó las 24 horas, los 7 días de la semana, con paneles solares y una batería. Incluso en el día más seco del desierto, con una humedad relativa extremadamente baja del 7% y temperaturas de más de 80 grados Fahrenheit, el dispositivo produjo al día seis onzas (0,2 litros) de agua por kilogramo de sustancia adsorbente.

“Es bien sabido que para condensar el agua del aire a una humedad baja (menos del 40% de humedad relativa) es necesario enfriar el aire a temperaturas bajo cero, a cero grados Celsius, lo cual no es práctico. Con nuestra cosechadora, estamos haciendo esto a muy baja humedad sin tal enfriamiento; no hay otro material que pueda hacer eso”, dijo Yaghi, profesor de química de UC Berkeley y codirector del Instituto Kavli Energy NanoSciences. “Esto no es como un deshumidificador, que funciona a una humedad relativa alta. Algunas personas dicen que 0,7 litros no es mucha agua. Pero es mucha agua, si no tienes agua”.

Cosechas desde 10 litros a 20.000 litros por día

La startup de Yaghi, Water Harvester Inc., ahora está probando y pronto comercializará una máquina del tamaño de un horno de microondas que puede suministrar de 7 a 10 litros de agua por día: suficiente agua potable y de cocción para dos o tres adultos por día, según recomendaciones de la Academia Nacional de Ciencias de que los hombres deben consumir 3,7 litros y las mujeres 2,7 litros de líquido por día.

Una versión aún más grande de la cosechadora, una del tamaño de un refrigerador pequeño, proporcionará de 200 a 250 litros de agua por día, suficiente para que un hogar pueda beber, cocinar y ducharse. Y en un par de años, la compañía espera tener una cosechadora a escala de aldea que produzca 20.000 litros por día. Todo funcionaría con energía de paneles solares y una batería o fuera de la red eléctrica.

El agua como derecho humano

“Estamos haciendo agua ultra pura, que potencialmente puede estar ampliamente disponible sin conexión a la red de agua”, explicó el investigador. “Esta movilidad en el agua no solo es crítica para las personas que sufren de estrés hídrico, sino que también hace posible el objetivo más amplio: que el agua sea un derecho humano”.

El ingrediente secreto de este logro tecnológico es un tipo de MOF inventado por Yaghi y sus colegas de UC Berkeley que recoge el agua del aire de manera fácil y rápida y la irriga con la misma facilidad para que se pueda recoger el agua. Estas armazones, desarrolladas desde mediados de la década de 1990, son tan porosas que un gramo tiene una superficie equivalente a un campo de fútbol. Por ejemplo, otros tipos de MOF capturan dióxido de carbono de los gases de combustión, catalizan reacciones químicas o separan petroquímicos en plantas de procesamiento.

Con todo, los investigadores presentaron en 2014 su primer dispositivo que absorbe agua, llamado MOF-801. Las moléculas de agua en el aire ambiente se adhieren a la superficie interna, gracias a la adsorción (un proceso por el cual átomos, iones o moléculas de gases, líquidos o sólidos disueltos son retenidos en una superficie, ​​ en contraposición a la absorción que es un fenómeno de volumen), y aumentan la humedad dentro del MOF hasta un punto donde el agua se condensa incluso a temperatura ambiente, al igual que el agua se condensa en superficies más frías cuando la humedad es alta. Cuando el MOF se calienta ligeramente, el agua vuelve a salir y puede condensarse y recogerse.

Cabe recordar que la primera cosechadora que empleó fue la MOF-801 y se estrenó en 2017. Era totalmente pasiva y alimentada por energía solar: se puso en marcha y absorbió agua por la noche y la soltó al día siguiente al calor del sol, con el vapor de agua condensándose en la superficie interior del envase.

Para 2018, el equipo de Berkeley había convertido ese dispositivo de prueba en una cosechadora de segunda generación que recolectaba 0,07 litros, un poco más de 2 onzas, de agua por día por kilogramo de MOF durante un ciclo de día y noche en el Desierto de Arizona, nuevamente utilizando el calor del sol para expulsar el agua del MOF.

“Aunque la cantidad de agua era baja, el experimento mostró cómo el agua del aire del desierto puede concentrarse en los poros del MOF, eliminarse mediante calentamiento suave con luz solar y luego condensarse en condiciones ambientales”, dijo Yaghi.

El contenedor con MOF para coger agua del aire desértico.

Un modelo productivo

El modelo 2019 ya no es pasivo: utiliza paneles solares para alimentar los ventiladores que vierten aire ambiente sobre el MOF contenido dentro de un cartucho, de modo que una mayor parte del MOF está expuesto al aire. El contenedor lleno de MOF, de aproximadamente 10 pulgadas cuadradas y 5 pulgadas de grosor, está cruzado por dos conjuntos de canales: uno para adsorber agua y el otro para expulsarlo al condensador, lo que permite un ciclo continuo durante todo el día. Los paneles solares, unidos a las baterías para que la cosechadora pueda funcionar por la noche, también alimentan pequeños calentadores que expulsan el agua del MOF.

La productividad de esta nueva cosechadora de agua es 10 veces la cantidad cosechada por el dispositivo anterior y 100 veces mayor que la del dispositivo de prueba de concepto inicial. No se han encontrado restos de metal u compuestos orgánicos en el agua.

“El MOF-303 hace dos cosas muy bien: consume mucha más agua que el MOF de circonio del que informamos antes, y lo hace mucho más rápido”, aclaró Yaghi. “Esto permite que el agua entre y salga mucho más rápido; puede bombear aire y cosechar el agua durante muchos ciclos por día”.

El investigador, de origen jordano, recibe consultas sobre su cosechadora casi todos los días de personas, agencias y países de todo el mundo, muchos en regiones áridas de Oriente Medio, África, América del Sur, México, Australia y todo el Mediterráneo. La mayor parte de los fondos para mejoras en la cosechadora proviene de la Ciudad Rey Abdulaziz para Ciencia y Tecnología de Arabia Saudita, como parte de una colaboración conjunta KACST-UC Berkeley llamada Centro de Excelencia para Aplicaciones de Nanomateriales y Energía Limpia.

“La atmósfera tiene casi tanta agua en cualquier momento como todos los ríos y lagos”, sostuvo el autor del estudio. “Cosechar esta agua podría ayudar a convertir los desiertos secos en oasis”.

Investigadores en el proyecto de cosechadora de agua. Imagen de Mathieu Prévot, UC Berkeley.

 

2019-09-01T11:36:07+02:00 1 septiembre, 2019|