Tecnologia de Ultrassom Potencializa a Captação de Água Atmosférica

Água Potável a Partir do Ar: Noções Básicas de Captação de Água Atmosférica

Em muitas regiões do mundo, a água doce é escassa. Uma opção de acesso poderia ser a dessalinização, mas até agora, trata‑se de uma abordagem muito intensiva em energia, mesmo que alguns avanços recentes na tecnologia solar a tenham aproximado da realidade.

A dessalinização de água do mar também não é uma opção para muitas regiões áridas interiores, como, por exemplo, a Ásia Central, a Mongólia, as montanhas chilenas ou a maior parte do Deserto do Saara.

Outra opção é capturar a água presente no ar. Muitos desertos possuem, na verdade, uma umidade atmosférica relativamente alta, mas por razões climáticas não formam chuva nem nuvens.

Esta é a promessa da captação de água atmosférica. Anteriormente abordamos como o resfriamento passivo combinado com um revestimento de silício poderia aumentar a eficiência da captação de água baseada na gravidade e como novos polímeros de adsorção também podem ajudar.

Os pesquisadores agora buscam aprimorar ainda mais a captação de umidade atmosférica, aproximando‑nos da captação de água de ficção científica, o “windtrap” do universo Duna.

Uma equipe do MIT, em colaboração com a empresa alemã SmarAct Metrology GmbH & Co. KG, utilizou ultrassom para aumentar a eficiência da adsorção de água atmosférica. Eles publicaram seus resultados na Nature Communications¹, sob o título “High-efficiency atmospheric water harvesting enabled by ultrasonic extraction”.

Adsorção de Água Atmosférica Explicada

Um método para captar água do ar é usar um polímero que “adsorve” água.

Adsorção é a capacidade de substâncias sólidas, chamadas “sorventes”, de atrair moléculas de gases ou soluções com as quais entram em contato em suas superfícies – neste caso, vapores de água gasosos e gotículas de água suspensas no ar.

No cotidiano, conhecemos materiais adsorventes como o gel de sílica em embalagens comerciais. Esse é, na verdade, um processo relativamente eficiente e pode coletar muita água ambiente.

Fonte: Osaka Metropolitan University

O problema é fazer o polímero liberar essa água. Normalmente, é necessário aquecer a cerca de 100 °C para desorver esses polímeros, o que, claro, torna o processo muito ineficiente em termos de energia e caro.

“Qualquer material que seja muito bom em capturar água não quer se desfazer dela. Portanto, é preciso investir muita energia e horas preciosas para extrair a água do material.”
Svetlana Boriskina, -Principal research scientist

Mesmo com temperaturas mais baixas usando polímeros mais recentes, o problema é que a liberação da água por calor é um processo lento, levando dezenas de minutos ou horas. Como resultado, a maioria dos sistemas de adsorção de água precisa capturar a água à noite e liberá‑la durante o dia com o calor do Sol.

Em contraste, o uso de ultrassons pode reduzir o tempo de captação de água para apenas alguns minutos e pode ser feito sob demanda.

Potencial dos Ultrassons

Ultrassom, ou ondas ultrassônicas, são ondas de pressão acústica que viajam em frequências superiores a 20 quilohertz (20.000 ciclos por segundo). Elas são cada vez mais usadas em aplicações avançadas, como bioprintagem e alimentação de dispositivos médicos remotos.

Parece que o ultrassom vibra na frequência ideal para provocar a separação das moléculas de água e do material que as absorveu.

Fonte: Nature Communications

Os pesquisadores projetaram um anel cerâmico plano feito de titanato de zircônio chumbo (PZT), que vibra quando a tensão é aplicada.

“É como se a água estivesse dançando com as ondas, e essa perturbação direcionada cria impulso que libera as moléculas de água, e podemos vê‑las se desprender em gotas.”
Svetlana Boriskina, -Principal research scientist

Para adsorver a água, eles usaram vários tipos de hidrogéis AWH de PAM‑LiCl com diferentes elasticidades, que incorporavam íons de lítio e cloreto para capturar a água do ar.

Fonte: Nature Communications

Quando testado, o dispositivo conseguiu extrair água suficiente para secar cada amostra em apenas alguns minutos.

A inspeção dos hidrogéis com microscópio eletrônico também provou que o ultrassom não danificou o gel, tornando o dispositivo durável o suficiente para uso prático.

Fonte: Nature Communications

Melhoria Massiva de Eficiência

Como até agora a liberação de água por calor ocorria apenas uma vez, a eficiência do processo era muito baixa, com até mesmo o dispositivo de última geração atingindo apenas 9,5% de eficiência.

Em contraste, o sistema do MIT pode produzir água repetidamente ao longo do dia, alcançando uma eficiência de até 428%, ou um aumento de 45 vezes na eficiência.

“Tudo se resume a quanto água você pode extrair por dia”, diz ela. “Com ultrassom, podemos recuperar água rapidamente e ciclar repetidamente. Isso pode somar muito ao longo do dia.”
Svetlana Boriskina, -Principal research scientist

Portanto, embora o dispositivo desperdice um pouco de energia em calor (efeito Joule), ainda é muito mais eficiente que todos os outros métodos de captação de água desenvolvidos até agora.

“As pessoas têm buscado maneiras de captar água da atmosfera, o que poderia ser uma grande fonte de água, particularmente para regiões desérticas e lugares onde nem mesmo há água salgada para dessalinizar.

Agora temos um modo de recuperar água rápida e eficientemente.

”

Svetlana Boriskina, -Principal research scientist

Implantação Real em Regiões Áridas e Remotas

Inicialmente, a aplicação mais promissora deste dispositivo será em áreas desérticas remotas com acesso limitado tanto a energia quanto a infraestrutura de água potável.

Ao contrário da adsorção baseada em calor, este dispositivo, porém, precisará de energia elétrica para gerar os ultrassons, portanto será necessária produção de energia descentralizada, seja com:

• Painéis solares como os usados nos experimentos do MIT.
• Com vento, que poderia funcionar à noite, quando a umidade é ainda maior, permitindo mais ciclos de captação de água de 2 minutos por hora.
• Com geração de energia renovável + sistemas de bateria para operar 24 h por dia.

Ao testar a frequência ideal do ciclo, os pesquisadores descobriram que o ritmo ideal é deixar o material absorver água por 1 hora, então usar ultrassom para liberá‑la em 2 minutos, e repetir o ciclo.

Mais importante ainda, a energia necessária para extrair a água com ultrassons permaneceu constante, ao contrário da lenta queda observada nos métodos baseados em calor.

Fonte: Nature Communications

Melhorias Futuras na Captação de Água Atmosférica

Materiais Sorventes de Próxima Geração

Este método utilizou hidrogéis de lítio, mas existem muitos outros materiais sorventes: outros hidrogéis, estruturas metal‑orgânicas, mantas de micro e nanofibras, e combinações desses materiais.

Cada um precisará ser reavaliado e reengenheirado para melhorar sua compatibilidade com o método alternativo de extração.

A resistência à degradação desses outros sorventes também precisará ser avaliada.

Melhorando a Eficiência do Ultrassom

Considerando que a NASA realizou testes em atuadores de PZT, até 100 bilhões de ciclos ao longo de 580 dias, e não revelou danos perceptíveis ou queda substancial de desempenho, a parte geradora de ultrassom do dispositivo deve ser altamente durável.

Entretanto, o design usado neste experimento é relativamente ineficiente na conversão de energia em ultrassom, com apenas 17 a 19% de eficiência.

Um dispositivo de matriz de transdutores piezoelétricos compostos 1‑3, em vez de um único atuador em forma de anel, poderia alcançar até 35% de eficiência.

Ultrassons baseados em PZT maiores também poderiam ser muito mais eficientes do que o pequeno dispositivo experimental testado aqui. Portanto, no geral, uma eficiência de 1.000% ou mais poderia estar ao alcance ao calibrar e melhorar o material PZT utilizado.

Rumo a Torres Geradoras de Água?

Outra melhoria importante é que a extração ultrassônica não requer a exposição da superfície do sorvente à luz solar. Assim, os dispositivos podem ser empilhados verticalmente uns sobre os outros sem, em princípio, limitação no número de fileiras verticais.

Em vez de um campo de grande escala para absorver a luz solar, torres grandes que canalizam água de cada dispositivo empilhado poderiam ser construídas para designs mais centralizados.

Empresas que Resolvem a Escassez de Água

Xylem Inc.

Juntamente com a europeia Veolia, a Xylem é líder global em purificação de água, tratamento de águas residuais e dessalinização. Emprega mais de 23.000 pessoas (das quais mais de 6.000 são engenheiros) e opera em 150 países, com foco nos EUA, atendendo a mais de 35.000 clientes industriais diretos.

Seu principal mercado é o de água potável municipal e águas residuais, mas também fornece soluções dedicadas relacionadas à água para outros setores como saúde, energia, alimentos & bebidas, petróleo & gás, microeletrônica, etc.

Fonte: Xylem

A Xylem pode fornecer os equipamentos patenteados críticos para limpar ou produzir água, como geradores de ozônio, lâmpadas UV, membranas de dessalinização, geradores de água ultra‑pura, etc.

Mas também fornece equipamentos “mais simples” igualmente críticos para operações relacionadas à água, como turbinas, bombas, tubulações, injeção, software, etc., além de serviços de manutenção, reparo e instalação, tornando‑a uma solução completa para a maioria das aplicações de água.

Fonte: Xylem

O mercado de água ainda é muito fragmentado, com a Xylem sendo uma das maiores empresas do setor, mas ainda detendo “apenas” 10% de participação de mercado em seu mercado endereçável de US$ 80 bi.

A empresa investe cerca de 4% de suas vendas em P&D. Deve se beneficiar de novas regulamentações relativas a PFAS (substâncias per‑ e polifluoroalquil, ou produtos químicos eternos), com mais de 6.000 instalações de serviços públicos necessitando desse tratamento de PFAS.

A Xylem tem crescido de forma constante, com o lucro líquido aumentando de US$ 297 mi em 2012 para US$ 609 mi em 2023, mantendo uma margem EBITDA estável de 17‑19%.

No geral, isso torna o perfil de investimento da empresa menos parecido com o de uma empresa industrial (geralmente cíclica) e mais parecido com o de uma empresa de serviços públicos que cresce com a economia geral ou um pouco acima dessa taxa, como a maioria de seus consumidores.

Últimas Notícias e Desenvolvimentos das Ações da Xylem (XYL)

Estudo Referenciado

^{1. Shuvo, I.I., Díaz-Marín, C.D., Christen, M. et al. High-efficiency atmospheric water harvesting enabled by ultrasonic extraction. Nature Communications 16, 9947 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-65586-2}