Sostenibilidad
La tecnología de ultrasonido potencia la captura de agua atmosférica
Resumen
El dispositivo de ultrasonido del MIT puede extraer agua del aire húmedo hasta 45 veces más eficientemente que los sistemas basados en calor, reduciendo los ciclos de horas a minutos. Si se escala con energías renovables, podría permitir la generación práctica de agua limpia fuera de la red en regiones áridas y remotas.
Agua limpia del aire: conceptos básicos de la captura de agua atmosférica
En muchas regiones del mundo, el agua dulce es un recurso escaso. Una opción para acceder a ella podría ser la desalinización, pero hasta ahora, este es un enfoque muy intensivo en energía, incluso si algunos avances en tecnología solar la han acercado recientemente a la realidad.
La desalinización de agua de mar tampoco es una opción para muchas regiones áridas interiores, como, por ejemplo, Asia central, Mongolia, las montañas de Chile o la mayor parte del desierto del Sahara.
Otra opción es capturar el agua presente en el aire. Muchos desiertos en realidad tienen una humedad atmosférica bastante alta, pero por razones climáticas no forman lluvia ni nubes.
Esta es la promesa de la captura de agua atmosférica. Anteriormente cubrimos cómo el enfriamiento pasivo combinado con un recubrimiento de silicio podría aumentar la eficiencia de la captura de agua basada en gravedad y cómo los nuevos polímeros de adsorción también podrían ayudar.
Los investigadores ahora están explorando mejoras adicionales en la captura de humedad atmosférica, acercándonos a la “windtrap” de ciencia ficción del universo Dune.
Un equipo del MIT, en colaboración con la empresa alemana SmarAct Metrology GmbH & Co. KG, ha utilizado ultrasonido para impulsar la eficiencia de la adsorción de agua atmosférica. Publicaron sus resultados en Nature Communications1, bajo el título “High-efficiency atmospheric water harvesting enabled by ultrasonic extraction”.
Explicación de la adsorción de agua atmosférica
Un método para cosechar agua del aire es usar un polímero que “adsorbe” agua.
Adsorción es la capacidad de sustancias sólidas, llamadas “sorbentes”, de atraer moléculas de gases o soluciones con las que están en contacto en sus superficies – en este caso, vapores de agua gaseosa y gotas de agua suspendidas en el aire.
En la vida cotidiana, conocemos materiales adsorbentes como la gel de sílice en empaques comerciales. Este es en realidad un proceso relativamente eficiente, y puede recolectar mucha agua ambiental.
El problema es lograr que el polímero libere esa agua. Normalmente, se requiere una temperatura de alrededor de 100 °C para desorber estos polímeros, lo que, por supuesto, lo hace muy ineficiente energéticamente y costoso.
“Cualquier material que sea muy bueno capturando agua no quiere desprenderla. Así que necesitas invertir mucha energía y horas preciosas en extraer el agua del material.”
Incluso con polímeros más nuevos que operan a temperaturas más bajas, el problema es que la liberación de agua mediante calor es un proceso lento, que lleva decenas de minutos o horas. Como resultado, la mayoría de los sistemas de adsorción de agua necesitan capturar el agua por la noche y liberarla durante el día con el calor del Sol.
En contraste, usar ultrasonidos podría reducir el tiempo de captura de agua a solo unos minutos y podría hacerse bajo demanda.
Potencial de los ultrasonidos
El ultrasonido, o ondas ultrasónicas, son ondas de presión acústica que viajan a frecuencias superiores a 20 kilohertz (20 000 ciclos por segundo). Se utilizan cada vez más para aplicaciones avanzadas, como bioprintado y alimentación de dispositivos médicos remotos.
Parece que el ultrasonido vibra a la frecuencia justa para provocar la separación de las moléculas de agua y el material que la absorbió.
Fuente: Nature Communications
Los investigadores diseñaron un anillo cerámico plano hecho de titanato de zirconio plomo (PZT), que vibra cuando se le aplica voltaje.
“Es como si el agua bailara con las ondas, y esta perturbación dirigida crea impulso que libera las moléculas de agua, y podemos verlas sacudirse en gotas.”
Para adsorber el agua, usaron varios tipos de hidrogeles AWH PAM‑LiCl con diferentes elasticidades, que todos incorporaban iones de litio y cloruro para capturar el agua del aire.
Fuente: Nature Communications
Al probarlo, el dispositivo pudo sacudir suficiente agua para secar cada muestra en solo unos minutos.
La inspección de los hidrogeles con un microscopio electrónico también demostró que el ultrasonido no dañó el gel, lo que hace que este dispositivo sea lo suficientemente duradero para un uso práctico.
Fuente: Nature Communications
Mejora masiva de la eficiencia
Porque hasta ahora la liberación de agua impulsada por calor solo ocurría una vez, la eficiencia del proceso era muy baja, con incluso el dispositivo de última generación alcanzando solo un 9,5 % de eficiencia.
En contraste, el sistema del MIT puede producir agua repetidamente durante el día, alcanzando una eficiencia de hasta el 428 %, o un aumento de 45 veces en la eficiencia.
Todo se trata de cuánta agua puedes extraer por día,” dice ella. “Con ultrasonido, podemos recuperar agua rápidamente y ciclar una y otra vez. Eso puede sumar mucho al día.”
Así que, aunque el dispositivo desperdicia un poco de energía en calor (efecto Joule), sigue siendo mucho más eficiente que todos los demás métodos de captura de agua desarrollados hasta ahora.
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| Método | Fuente de energía | Velocidad del ciclo | Eficiencia (%) |
|---|---|---|---|
| Captura de agua atmosférica tradicional basada en calor | Calor solar | Horas por ciclo | ~9.5% |
| Extracción ultrasónica MIT | Eléctrico (solar/eólico) | 2 minutos por ciclo | ~428% |
“La gente ha estado buscando formas de cosechar agua de la atmósfera, lo que podría ser una gran fuente de agua, particularmente para regiones desérticas y lugares donde ni siquiera hay agua salada para desalinizar.
Ahora tenemos una manera de recuperar agua rápida y eficientemente.”
Despliegue real en regiones áridas y remotas
Al principio, la aplicación más prometedora de este dispositivo será en áreas desérticas remotas con acceso limitado tanto a energía como a infraestructura de agua dulce.
A diferencia de la adsorción basada en calor, este dispositivo necesitará energía eléctrica para generar los ultrasonidos, por lo que será necesario producir energía descentralizada, ya sea con:
- Paneles solares como los usados en los experimentos del MIT.
- Con viento, lo que podría funcionar por la noche, cuando la humedad es aún mayor, permitiendo más ciclos de captura de agua de 2 minutos por hora.
- Con generación de energía renovable + sistemas de baterías para operar 24 / 7.
Al probar cuál es la frecuencia de ciclo ideal, los investigadores descubrieron que el ritmo óptimo es dejar que el material absorba agua durante 1 hora, luego usar ultrasonido para liberarla en 2 minutos y repetir el ciclo.
Más importante aún, la energía requerida para extraer el agua con ultrasonidos se mantuvo constante, en lugar de disminuir lentamente como ocurre con los métodos basados en calor.
Fuente: Nature Communications
Mejoras futuras en la captura de agua atmosférica
Materiales sorbentes de próxima generación
Este método utilizó hidrogeles de litio, pero existen muchos otros materiales sorbentes: otros hidrogeles, marcos metal‑orgánicos, mantas de micro‑ y nanofibras, y combinaciones de estos materiales.
Cada uno necesitará ser reevaluado y rediseñado para mejorar su compatibilidad con el método alternativo de extracción.
La resistencia a la degradación de estos otros sorbentes también deberá ser evaluada.
Mejorar la eficiencia del ultrasonido
Considerando que la NASA realizó pruebas en actuadores PZT, hasta 100 mil millones de ciclos durante 580 días y no reveló daño perceptible ni una disminución sustancial del rendimiento, se espera que la parte generadora de ultrasonido del dispositivo sea altamente duradera.
Sin embargo, el diseño usado en este experimento es relativamente ineficiente al convertir energía en ultrasonido, con solo un 17 – 19 % de eficiencia.
Un dispositivo de matriz transductora piezoeléctrica compuesta 1‑3, en lugar de un solo actuador en forma de anillo, podría alcanzar hasta un 35 % de eficiencia.
Los ultrasonidos basados en PZT más grandes también podrían ser mucho más eficientes que el pequeño dispositivo experimental probado aquí. Así, una eficiencia del 1 000 % o más podría estar al alcance al calibrar y mejorar el material PZT utilizado.
¿Hacia torres generadoras de agua?
Otra mejora importante es que la extracción ultrasónica no requiere exponer la superficie del sorbente a la luz solar. Por lo tanto, los dispositivos pueden apilarse verticalmente unos sobre otros sin limitación en principio al número de filas verticales.
En lugar de un campo a gran escala para absorber la luz solar, se podrían construir torres grandes que canalicen agua desde cada dispositivo apilado para diseños más centralizados.
Empresas que resuelven la escasez de agua
Xylem Inc.
(XYL )
Junto con la europea Veolia, Xylem es un líder global en purificación de agua, tratamiento de aguas residuales y desalinización. Emplea a más de 23 000 personas (de las cuales más de 6 000 son ingenieros) y opera en 150 países, con un enfoque en EE. UU., atendiendo a más de 35 000 clientes industriales directos.
Su mercado principal es el suministro municipal de agua potable y aguas residuales, pero también ofrece soluciones dedicadas relacionadas con el agua a otros sectores como la salud, la energía, alimentos y bebidas, petróleo y gas, microelectrónica, etc.
Fuente: Xylem
Xylem puede proporcionar los equipos patentados críticos para limpiar o producir agua, como generadores de ozono, lámparas UV, membranas de desalinización, generadores de agua ultra‑pura, etc.
Pero también ofrece equipos “más simples” igualmente críticos para operaciones relacionadas con el agua, como turbinas, bombas, tuberías, inyección, software, etc., además de servicios de mantenimiento, reparación e instalación, convirtiéndose en una tienda única para la mayoría de aplicaciones de agua.
Fuente: Xylem
El mercado del agua sigue siendo muy fragmentado, con Xylem siendo una de las mayores empresas del sector, pero aún con solo un 10 % de participación de mercado de su mercado direccionable de 80 mil millones de dólares.
La compañía invierte alrededor del 4 % de sus ventas en I+D. Debería beneficiarse de nuevas regulaciones respecto a los PFAS (sustancias per‑ y polifluoroalquil), o químicos eternos, con más de 6 000 instalaciones de servicios públicos que necesitarán tratamiento de PFAS.
Xylem ha crecido de forma constante, con ingresos netos que pasaron de 297 M USD en 2012 a 609 M USD en 2023, manteniendo un margen EBITDA estable del 17‑19 %.
En conjunto, esto hace que el perfil de inversión de la compañía sea menos parecido al de una empresa industrial (a menudo cíclica) y más similar al de una empresa de servicios públicos que crece con la economía general o un poco por encima de esa tasa, como la mayoría de sus consumidores.
Últimas noticias y desarrollos de la acción Xylem (XYL)
Estudio Referenciado
1. Shuvo, I.I., Díaz-Marín, C.D., Christen, M. et al. Captura de agua atmosférica de alta eficiencia habilitada por extracción ultrasónica. Nature Communications 16, 9947 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-65586-2
