Energia
Captação de Água Atmosférica – Como Aproveitar a Gravidade Pode Avançar Esta Tecnologia
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A água é talvez o recurso mais valioso que nosso planeta tem que lidar. Apesar de cobrir 70% do nosso planeta, a água doce, a água que usamos para beber, tomar banho ou irrigar nossas terras agrícolas, é escassa. Apenas 3% da água do mundo é água doce. Além disso, dois terços desse 3% estão em geleiras congeladas ou indisponíveis para uso.
O resultado da escassez de água é algo que se reflete em todo o mundo. Globalmente, perto de 1,1 bilhão de pessoas não têm acesso à água. Um total de 2,7 bilhões de pessoas no mundo sofrem com a escassez de água por pelo menos um mês do ano.
A falta de água também leva a muitos outros problemas, como saneamento inadequado, um problema para 2,4 bilhões de pessoas que ficam vulneráveis e expostas a doenças como cólera e tifoide, além de muitas outras doenças diarreicas fatais.
O crescimento populacional e a demanda cada vez maior por água sempre estiveram em conflito. Quanto mais populado nosso planeta se torna, mais estressados ficam seus sistemas hídricos.
Os níveis crescentes de poluição têm afetado os rios, lagos e aquíferos do planeta. O que parece ainda mais angustiante é que mais da metade dos pântanos do mundo desapareceram.
Se a comunidade científica não evoluir com o tempo e oferecer soluções para combater a ameaça da água que desaparece, nossos sistemas agrícolas não terão água suficiente em breve, levando à insegurança alimentar e muito mais.
No entanto, felizmente, a comunidade científica está à altura do desafio em todo o mundo. Hoje, discutiremos uma solução inovadora no próximo segmento e então faremos uma análise mais profunda.
Dispositivo Extrai Água do Ar Usando Nada Mais que Gravidade
Uma equipe de pesquisadores internacionais, liderados pelo Professor Qiaoqiang Gan da KAUST, projetou um dispositivo que pode potencialmente operar sem eletricidade e extrair água do ar com a ajuda de nada além da gravidade. O dispositivo, já livre da necessidade de um suprimento de energia caro, pode ser fabricado com materiais baratos e prontamente disponíveis.
O artigo experimental, intitulado ‘Lubricated Surface in a Vertical Double-Sided Architecture for Radiative Cooling and Atmospheric Water Harvesting’, busca tornar a captação de água atmosférica mais eficiente.
O processo de captação de água melhora significativamente no resfriamento radiativo. O resfriamento radiativo funciona ao reduzir significativamente as temperaturas do condensador abaixo dos níveis ambientes e tornar a captação de água atmosférica possível sem energia adicional.
Um problema que os sistemas de resfriamento radiativo enfrentam é o desafio dos condensadores tradicionais voltados para o céu terem baixa densidade de potência de resfriamento, e as gotas de água permanecerem presas na superfície, exigindo coleta ativa de condensado.
A pesquisa propôs uma solução para esse problema: um revestimento de superfície lubrificada (LS) —consistindo em elastômero de polidimetilsiloxano altamente escalável lubrificado com óleo de silicone aplicado no lado do condensador em uma arquitetura vertical de dupla face.
Os benefícios do design são vários. Primeiro, ele efetivamente duplica a potência de resfriamento local.
Em segundo lugar, elimina o aprisionamento da linha de contato, permitindo a coleta passiva de água impulsionada pela gravidade. O resultado é uma capacidade de captação de água atmosférica aumentada a partir de uma amostra de 0 × 30 cm2 em ambientes externos, sem fluxo artificial de ar umedecido.
A taxa de coleta passiva de água do revestimento lubrificado (LS) atingiu 21 g m−2 h−1, o dobro da taxa em uma superfície superhidrofóbica, 10 g m−2 h−1. O desempenho foi ainda melhor em ambiente interno, onde o sistema conseguiu uma taxa de condensação de até 87% do limite teórico com até 90% do condensado total coletado passivamente.
Benefícios da Captação de Água Atmosférica Feita Corretamente
A atmosfera contém seis vezes mais água do que toda a água doce dos rios da Terra combinada. De acordo com o Professor Gan:
“Esta água pode ser coletada por tecnologias de captação de água atmosférica.”
E quando o processo é realizado de forma eficiente com a solução mencionada acima, torna‑se ainda mais lucrativo para seus adotantes. Ao elaborar os benefícios do sistema, o Professor Dan Daniel, um dos pós‑doutorandos do grupo de pesquisa do Professor Gan, disse:
“O sistema não consome eletricidade, gerando economia de energia. Além disso, não depende de peças mecânicas como compressores ou ventiladores, reduzindo a manutenção em relação aos sistemas tradicionais, gerando ainda mais economia.”
Em resposta às observações de Dan Daniel, outro pós‑doutorando da equipe, Shakeel Ahmad, acrescentou:
“Nosso revestimento eliminou efetivamente o aprisionamento, permitindo verdadeira coleta passiva de água impulsionada pela água.”
No total, o sistema aprimora a qualidade da captação de água atmosférica por uma margem significativa, tornando a AWH uma solução verdadeiramente promissora neste mundo de recursos hídricos cada vez mais escassos.
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Avanços em Sistemas de Captação de Água Atmosférica
Em outubro de 2023, um artigo publicado na revista científica intitulada Energy realizou uma revisão abrangente de técnicas, desempenho, soluções de energia renovável e viabilidade relacionadas ao método de AWH. A revisão destacou a Captação de Água Atmosférica como algo que poderia ser uma vasta fonte de água doce em 12.900 km³.
Ela afirmou:
“Os sistemas de captação de água atmosférica ganharam popularidade nos últimos anos, pois oferecem uma fonte de água sustentável em regiões secas.”
Nos segmentos que se seguem, analisaremos alguns desses avanços, incluindo desumidificação, condensação, ciclos de refrigeração por compressão de vapor (VCRCs), refrigeradores termelétricos (TECs), unidades de ar condicionado, células de combustível e sistemas integrados.
Desumidificação e Condensação
As tecnologias de captação de água por desumidificação obtêm energia de fontes solares, eólicas ou elétricas. As tecnologias podem ser baseadas em compressor/refrigerante ou em dessecante.
Os primeiros tipos operam via condensação no ponto de orvalho e fornecem uma superfície fria onde o vapor d’água pode condensar, enquanto os segundos saturam o vapor d’água usando um sorvente que é então aquecido, e o vapor d’água supersaturado condensa em uma superfície ao interagir com o ar ambiente mais frio.
Ciclos de Refrigeração por Compressão de Vapor (VCRCs)
Esse processo refere‑se a um mecanismo onde o vapor é comprimido, depois condensado com água ou ar, e expandido a baixa pressão e, consequentemente, baixa temperatura através de uma válvula ou motor com extração de energia.
Refrigeradores Termelétricos
Em 2023, a International Information and Engineering Technology Association (IIETA) publicou um estudo sobre a captação de água atmosférica usando tecnologia de refrigeração termelétrica.
O estudo pretendia explorar o potencial do ar atmosférico como fonte alternativa de água limpa para mitigar a escassez de água na Indonésia, um país com umidade atmosférica média de 75% a 85%.
Os pesquisadores instalaram um refrigerador termelétrico (TEC 1-12706), complementado com um dissipador de calor e ventilador em seu lado quente para melhorar a dissipação de calor. Uma bobina de resfriamento de cobre serviu tanto como absorvedor de calor quanto como condensador para o ar atmosférico que passava por ela.
A fonte de resfriamento para a bobina (diâmetro=7,9 mm; comprimento=1000 mm) foi derivada de um bloco de água conectado ao lado frio do refrigerador. As configurações do experimento incluíram todos os possíveis ambientes, incluindo laboratório, área residencial e zona costeira, com a taxa de fluxo de ar do ventilador do dissipador variando.
Os dados foram coletados em uma faixa de umidade de 72,27%-83,01% e os resultados revelaram uma correlação direta entre a taxa de fluxo de massa de ar do ventilador do dissipador e a quantidade de água extraível do ar.
O experimento também ofereceu insights interessantes sobre o impacto do tipo de ambiente no volume de ar extraído, já que mais água poderia ser extraída na costa do que em laboratórios e áreas residenciais.
Mais especificamente, a taxa de fluxo de massa de ar foi 0,092 kg/s nas áreas costeiras, e a água que podia ser extraída foi 7,75 ml/hora. No ambiente de laboratório, o desempenho caiu para 5,5 ml/hora, e nas áreas residenciais foi 4,75 ml/hora. Os pesquisadores concluíram que poderiam aumentar a extração de água maximizando a superfície de contato entre o resfriador de ar e a superfície da bobina.
Unidades de Ar Condicionado
Em junho de 2024, um publicou um artigo de pesquisa no jornal Case Studies in Chemical and Environmental Engineering que avaliou a probabilidade de produção de água a partir de sistemas de ar condicionado como fonte de abastecimento não convencional.
Mais especificamente, o estudo examinou as propriedades físicas e químicas da água condensada e investigou a presença de metais pesados nas amostras de água condensada coletadas de sistemas de ar condicionado.
O objetivo da avaliação foi garantir que a qualidade da água atendesse aos critérios estabelecidos pelos padrões jordanianos de água potável e às diretrizes da FAO para fins de irrigação.
O estudo foi realizado na Jordânia, que está entre os países economicamente mais desfavorecidos do mundo em termos de recursos de água doce renováveis, com uma disponibilidade per capita escassa de cerca de 61 metros cúbicos em 2021.
Os resultados dos testes indicaram que as amostras estavam em sua maioria dentro dos limites permitidos especificados tanto pelas diretrizes de água potável (abaixo de 20 °C) quanto pelos critérios para água tratada usada na irrigação (abaixo de 25 °C). A faixa de temperatura das amostras variou entre 16 °C e 20 °C, com média de 18 °C, enquanto os valores de pH das amostras de água condensada variaram de 7,16 a 7,25, com média de 7,20.
Células de Combustível
Outra pesquisa, publicada na edição de dezembro de 2020 da Applied Energy propôs reutilizar a água eletroquímica da célula de combustível para o ciclo de compressão de vapor de um gerador de água atmosférico baseado em VCC (VCC-AWG).
O mecanismo da solução aproveitou os gases de exaustão da célula de combustível que entraram no VCC-AWG com umidade relativa maior do que o ar atmosférico natural ao passar por um trocador de calor ambiente para remover o calor residual eletroquímico.
Os cientistas propuseram que a maior umidade relativa poderia aumentar o rendimento de água doce por unidade de energia consumida. Os resultados mostraram que, a uma umidade relativa de 0,75, a adição de uma célula de combustível de 2 kW gerou até 3 kg/h de água doce, 50% mais do que excluindo a célula de combustível.
Com o consumo específico de energia em 200 Wh/kg, o VCC-AWG poderia ser integrado com pequenas concessões à potência da célula de combustível.
Sistemas Integrados
Finalmente, vários pesquisadores também propuseram sistemas integrados inovadores que combinam rodas de dessecante e refrigeradores evaporativos para fornecer ar resfriado e água condensada.
Mais importante, esses sistemas integrados demonstraram capacidades excepcionais de captação de água em ambientes áridos. Por exemplo, conforme dados obtidos de um experimento, um sistema desumidificador de um metro cúbico poderia fornecer a uma família catariana mais de 15 l de água doce diariamente sob níveis de umidade relativa de 50–70 %.
Enquanto as comunidades científicas ao redor do mundo têm explorado consistentemente as possibilidades da captação de água atmosférica e ampliado seus limites, as empresas têm apresentado soluções que são adequadas para adoção em massa. Nos segmentos que se seguem, analisaremos brevemente algumas dessas empresas.
#1. Atoco
Fonte: Atoco
A tecnologia de captação de água da Atoco é capaz de capturar e gerar água pura a partir da atmosfera, mesmo em condições secas com umidade relativa abaixo de 20%.
Assim como a pesquisa que iniciamos, a solução Atoco pode operar em modo passivo sem uso de eletricidade, permitindo operações off‑grid com pegada de carbono zero.
A qualidade da água resultante do uso de materiais reticulares inovadores pela Atoco é extremamente pura, não requer filtragem adicional. Ela cumpre integralmente os padrões globais, incluindo os padrões da OMS e EPA para água potável e as diretrizes de qualidade de água da FAO para fins agrícolas.
Fundada pelo Prof. Omar Yaghi – o pai da química reticular – A Atoco acredita que pode enfrentar tanto a causa quanto o efeito das mudanças climáticas e abordar o aquecimento global e a escassez de água desenvolvendo soluções sustentáveis, resilientes e transformadoras no campo da captação de água atmosférica.
#2. Watergen
Watergen, uma empresa israelense pioneira e líder global no mercado de dispositivos de água potável atmosférica (AWG), oferece máquinas que criam água potável da forma mais eficaz e econômica possível. Suas soluções estão presentes em mais de 65 países ao redor do mundo.
Sua solução comercial Gen‑L pode produzir até 6.000 litros por dia, enquanto a solução pequena Genny oferece 30 litros por dia. Ela tem soluções para todo tipo de necessidade entre esses dois terminais.
Em 2022, a Watergen anunciou uma joint venture estratégica com o SMV Jaipuria Group com um investimento planejado de mais de USD 50 milhões nos próximos 2‑3 anos para levar produtos de tecnologia de água‑do‑ar para a Índia.
Palavras Finais
No total, o mundo está pronto para enfrentar os desafios da escassez de água utilizando habilidosamente outro recurso natural que temos em abundância: o ar atmosférico.
No entanto, ainda há trabalho a ser feito para expandir as fronteiras ao reduzir o custo de produção e tornar os processos ambientalmente sustentáveis com uso nulo ou mínimo de energia.
Muitos dos países com escassez de água são economias de baixa renda. Eles precisam receber soluções que sejam acessíveis às massas e implantáveis da forma mais simples possível.
