Energía
Captación de Agua Atmosférica – Cómo Aprovechar la Gravedad Puede Avanzar esta Tecnología
Añade Securities.io a tus fuentes preferidas en Google
El agua es quizás el recurso más valioso con el que cuenta nuestro planeta. A pesar de cubrir el 70 % de la Tierra, el agua dulce, que utilizamos para beber, bañarnos o regar nuestros campos, es escasa. Sólo el 3 % del agua mundial es agua dulce. Además, dos tercios de ese 3 % se encuentran en glaciares congelados o no están disponibles para su uso.
El resultado de la escasez de agua es algo que se refleja en todo el mundo. A nivel global, cerca de 1.100 millones de personas carecen de acceso al agua. Un total de 2.700 millones de personas en el mundo sufren escasez de agua al menos un mes del año.
La falta de agua también genera muchos otros problemas, como la sanidad inadecuada, una problemática que afecta a 2.400 millones de personas que se vuelven vulnerables y se exponen a enfermedades como el cólera y la fiebre tifoidea, y a muchas otras enfermedades diarreicas mortales.
El crecimiento de la población y la demanda cada vez mayor de agua siempre han estado en conflicto. Cuanto más poblado se vuelve nuestro planeta, más estresados están sus sistemas hídricos.
Los niveles crecientes de contaminación han afectado los ríos, lagos y acuíferos del planeta. Lo que parece aún más angustiante es que más de la mitad de los humedales del mundo han desaparecido.
Si la comunidad científica no evoluciona con el tiempo y no ofrece soluciones para combatir la amenaza del agua que desaparece, nuestros sistemas agrícolas no tendrán suficiente agua pronto, lo que provocará inseguridad alimentaria y mucho más.
Sin embargo, afortunadamente, la comunidad científica está a la altura del desafío a nivel mundial. Hoy, discutiremos una solución innovadora en el siguiente segmento y luego profundizaremos.
Dispositivo que Extrae Agua del Aire Usando Nada Más que la Gravedad
Un equipo de investigadores internacionales, liderados por el profesor Qiaoqiang Gan de KAUST, ha diseñado un dispositivo que puede potencialmente funcionar sin electricidad y extraer agua del aire con la ayuda de nada más que la gravedad. El dispositivo, ya libre de la necesidad de un suministro energético costoso, puede fabricarse con materiales baratos y de fácil disponibilidad.
El artículo experimental, titulado “Lubricated Surface in a Vertical Double-Sided Architecture for Radiative Cooling and Atmospheric Water Harvesting”, busca hacer la captación de agua atmosférica más eficiente.
El proceso de captación de agua mejora significativamente con el enfriamiento radiante. El enfriamiento radiante funciona al reducir drásticamente la temperatura del condensador por debajo de la temperatura ambiente y hace posible la captación de agua atmosférica sin energía adicional.
Un problema que enfrentan los sistemas de enfriamiento radiante es el desafío de los condensadores tradicionales orientados al cielo que tienen una baja densidad de potencia de enfriamiento, y las gotas de agua permanecen adheridas a la superficie, requiriendo una recolección activa del condensado.
La investigación ha propuesto una solución a este problema: un recubrimiento de superficie lubricada (LS) —compuesto por un elastómero de polidimetilsiloxano altamente escalable lubricado con aceite de silicona aplicado en el lado del condensador dentro de una arquitectura vertical de doble cara.
Los beneficios del diseño son varios. En primer lugar, duplica efectivamente la potencia de enfriamiento local.
En segundo lugar, elimina el pinzado de la línea de contacto, permitiendo una recolección pasiva impulsada por la gravedad. El resultado es una capacidad de AWH aumentada en una muestra de 0 × 30 cm² en entornos exteriores, sin flujo artificial de aire humidificado.
La tasa de recolección pasiva de agua del recubrimiento de superficie lubricada (LS) alcanzó 21 g m⁻² h⁻¹, el doble que en una superficie superhidrofóbica, 10 g m⁻² h⁻¹. El rendimiento fue aún mejor en un entorno interior, donde el sistema pudo lograr una tasa de condensación de hasta el 87 % del límite teórico con hasta el 90 % del condensado total recolectado pasivamente.
Beneficios de la Captación de Agua Atmosférica Realizada Correctamente
La atmósfera contiene seis veces más agua que toda el agua dulce de los ríos de la Tierra combinada. Según el profesor Gan:
“Esta agua puede ser recolectada por tecnologías de captación de agua atmosférica.”
Y cuando el proceso se realiza eficientemente con la solución mencionada anteriormente, se vuelve aún más rentable para sus adoptantes. Al detallar los beneficios del sistema, el profesor Dan Daniel, uno de los postdoctorados del grupo de investigación del profesor Gan, comentó:
“El sistema no consume electricidad, lo que genera ahorro energético. Además, no depende de piezas mecánicas como compresores o ventiladores, reduciendo el mantenimiento respecto a los sistemas tradicionales, lo que genera ahorros adicionales.”
A las observaciones de Dan Daniel, otro postdoctorado del equipo, Shakeel Ahmad, añadió:
“Nuestro recubrimiento eliminó eficazmente el pinzado, permitiendo una verdadera recolección pasiva de agua impulsada por el agua.”
En conjunto, el sistema mejora la calidad de la captación de agua atmosférica en una medida significativa, convirtiendo la AWH en una solución verdaderamente azul en este mundo de recursos hídricos cada vez más escasos.
Avances en los Sistemas de Captación de Agua Atmosférica
En octubre de 2023, un artículo publicado en la revista científica llamada Energy realizó una revisión exhaustiva de técnicas, rendimiento, soluciones de energía renovable y viabilidad relacionadas con el método de AWH. La revisión destacó la Captación de Agua Atmosférica como algo que podría ser una vasta fuente de agua dulce de 12.900 km³.
Dijo:
“Los sistemas de captación de agua atmosférica han ganado popularidad en los últimos años, ya que ofrecen una fuente de agua sostenible en regiones áridas.”
En los segmentos que siguen, analizaremos algunos de estos avances, incluyendo deshumidificación, condensación, ciclos de refrigeración por compresión de vapor (VCRCs), refrigeradores termoeléctricos (TECs), unidades de aire acondicionado, pilas de combustible y sistemas integrados.
Deshumidificación y Condensación
Las tecnologías de captación de agua mediante deshumidificación obtienen energía de fuentes solares, eólicas o eléctricas. Las tecnologías pueden basarse en compresores/refrigerantes o en desecantes.
Los primeros tipos operan mediante condensación por punto de rocío y proporcionan una superficie fría sobre la cual el vapor de agua puede condensarse, mientras que los segundos saturan el vapor de agua usando un sorbente que luego se calienta, y el vapor de agua supersaturado condensa en una superficie al interactuar con aire de proceso más frío.
Ciclos de Refrigeración por Compresión de Vapor (VCRCs)
Este proceso se refiere a un mecanismo donde el vapor se comprime, luego se condensa con agua o aire, y se expande a baja presión y, correspondientemente, a baja temperatura mediante una válvula o un motor con extracción de potencia.
Refrigeradores Termoeléctricos
En 2023, la International Information and Engineering Technology Association (IIETA) publicó un estudio sobre la captación de agua atmosférica usando tecnología de refrigeración termoeléctrica.
El estudio pretendía explorar el potencial del aire atmosférico como fuente alternativa de agua limpia para mitigar la escasez de agua en Indonesia, un país con una humedad atmosférica promedio del 75 % al 85 %.
Los investigadores desplegaron un refrigerador termoeléctrico (TEC 1-12706), complementado con un disipador de calor y un ventilador en su lado caliente para mejorar la disipación de calor. Una bobina de enfriamiento de cobre sirvió tanto como absorbente de calor como condensador para el aire atmosférico que pasaba a través de ella.
La fuente de enfriamiento para la bobina (diámetro=7.9 mm; longitud=1000 mm) se derivó de un bloque de agua conectado al lado frío del refrigerador. Los ajustes del experimento incluyeron todas las configuraciones ambientales posibles, incluyendo laboratorio, zona residencial y zona costera, variando la velocidad del ventilador del disipador.
Se recopilaron datos en un rango de humedad de 72.27 %‑83.01 % y los resultados revelaron una correlación directa entre la tasa de flujo másico del aire del ventilador del disipador y la cantidad de agua extraíble del aire.
El experimento también ofreció interesantes ideas sobre el impacto del tipo de entorno en el volumen de aire extraído, ya que se pudo extraer más agua en la costa que en laboratorios y zonas residenciales.
Más específicamente, la tasa de flujo másico del aire fue de 0.092 kg/s en las áreas costeras, y el agua que pudo extraerse fue de 7.75 ml/hora. En el entorno de laboratorio, el rendimiento descendió a 5.5 ml/hora, y en áreas residenciales fue de 4.75 ml/hora. Los investigadores comprendieron que podrían aumentar la extracción de agua maximizando la superficie de contacto entre el enfriador de aire y la superficie de la bobina.
Unidades de Aire Acondicionado
En junio de 2024, un publicó un artículo de investigación en la revista Case Studies in Chemical and Environmental Engineering que evaluó la probabilidad de producción de agua a partir de sistemas de aire acondicionado como fuente de suministro no convencional.
Más específicamente, el estudio examinó las propiedades físicas y químicas del agua condensada e investigó la presencia de metales pesados en las muestras de agua condensada producidas por los sistemas de aire acondicionado.
El propósito de la evaluación fue asegurar que la calidad del agua cumpliera con los criterios establecidos por las normas jordanas de agua potable y las directrices de la FAO para usos de riego.
El estudio se realizó en Jordania, que se ubica entre los países más desfavorecidos económicamente del mundo en cuanto a recursos de agua dulce renovable, con una escasa disponibilidad per cápita de alrededor de 61 metros cúbicos en 2021.
Los resultados de las pruebas indicaron que las muestras cumplían mayormente con los límites permitidos especificados tanto por las directrices de agua potable (por debajo de 20 °C) como por los criterios de agua tratada para riego (por debajo de 25 °C). El rango de temperatura de las muestras estuvo entre 16 °C y 20 °C, con un promedio de 18 °C, mientras que los valores de pH variaron de 7.16 a 7.25, con un promedio de 7.20.
Celdas de Combustible
Otra investigación, publicada en la edición de diciembre de 2020 de Applied Energy propuso reutilizar el agua electroquímica de la celda de combustible para el ciclo de compresión de vapor de un generador de agua atmosférico (VCC‑AWG).
El mecanismo de solución aprovechó los gases de combustión de la celda de combustible que ingresaron al VCC‑AWG con una humedad relativa mayor que la del aire atmosférico natural al pasar por un intercambiador de calor ambiental para eliminar el calor residual electroquímico.
Los científicos propusieron que la mayor humedad relativa podría incrementar el rendimiento de agua dulce por unidad de energía. Los resultados mostraron que a una humedad relativa de 0.75, agregar una celda de combustible de 2 kilovatios generó hasta 3 kg/h de agua fresca, lo que representa un 50 % más que sin la celda de combustible.
Con un consumo energético específico de 200 Wh/kg, el VCC‑AWG podría integrarse con pequeñas concesiones a la potencia de salida de la celda de combustible.
Sistemas Integrados
Finalmente, varios investigadores también han propuesto sistemas integrados innovadores que combinan ruedas de desecante y enfriadores de evaporador para proporcionar tanto aire enfriado como agua condensada.
Más importante aún, estos sistemas integrados han demostrado capacidades sobresalientes de captación de agua en entornos áridos. Por ejemplo, según datos obtenidos de un experimento, un deshumidificador de un metro cúbico podría proporcionar a una familia catarí más de 15 l de agua dulce al día bajo niveles de humedad relativa del 50‑70 %.
Mientras las comunidades científicas de todo el mundo han explorado consistentemente las posibilidades de la captación de agua atmosférica y han ampliado sus límites, las empresas han desarrollado soluciones que son aptas para una adopción masiva. En los próximos segmentos, revisaremos brevemente un par de esas empresas.
#1. Atoco
Fuente: Atoco
La tecnología de captación de agua de Atoco es capaz de capturar y generar agua pura a partir de la atmósfera, incluso en condiciones secas con humedad relativa inferior al 20 %.
Al igual que la investigación con la que iniciamos nuestras discusiones, la solución de Atoco puede operar en modo pasivo sin uso de electricidad, permitiendo operaciones fuera de la red con cero huella de carbono.
La calidad del agua que resulta del uso de materiales reticulares novedosos por parte de Atoco es extremadamente pura, sin necesidad de filtración adicional. Cumple plenamente con los estándares globales, incluidos los estándares de la OMS y la EPA en el caso de agua potable y la calidad del agua de la FAO para usos agrícolas.
Fundada por el Prof. Omar Yaghi – el padre de la química reticular – Atoco cree que puede abordar tanto la causa como el efecto del cambio climático y enfrentar el calentamiento global y la escasez de agua desarrollando soluciones sostenibles, resilientes y transformadoras en el campo de la captación de agua atmosférica.
#2. Watergen
Watergen, una empresa israelí pionera y líder global en el mercado de dispositivos de agua potable atmosférica (AWG), ofrece máquinas que crean agua potable de la manera más eficaz y económica posible. Sus soluciones están presentes en más de 65 países de todo el mundo.
Su solución comercial Gen‑L puede producir hasta 6.000 litros al día, mientras que la solución pequeña Genny ofrece 30 litros al día. Tiene soluciones para cada tipo de necesidad entre estas dos gamas.
En 2022, Watergen anunció una joint venture estratégica con SMV Jaipuria Group con una inversión planificada de más de USD 50 millones en los próximos 2‑3 años para llevar productos de tecnología de agua‑del‑aire a la India.
Palabras Conclusivas
En conjunto, el mundo está listo para enfrentar los desafíos de la escasez de agua aprovechando hábilmente otro recurso natural que tenemos en abundancia: el aire atmosférico.
Sin embargo, queda mucho trabajo por hacer para ampliar los horizontes reduciendo el costo de producción y haciendo los procesos ambientalmente sostenibles con uso nulo o mínimo de energía.
Muchos de los países con escasez de agua son economías de bajos ingresos. Necesitan recibir soluciones que sean asequibles para las masas y desplegables de la manera más fluida posible.
